amonyak boran'ın dehidrojenlenmesi için oldukça aktif ve ekonomik
TRANSCRIPT
AMONYAK BORANrsquoIN DEHİDROJENLENMESİ İCcedilİN
OLDUKCcedilA AKTİF VE EKONOMİK BİR KATALİZOumlR
OLARAK İNDİRGENMİŞ GRAFEN OKSİTE
DESTEKLENMİŞ Cu3Pd ALAŞIM NANOPARTİKUumlLLERİ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ
Yuumlksek Lisans Tezi
Kimya Anabilim Dalı
Anorganik Kimya Bilim Dalı
Doccedil Dr Oumlnder METİN
2015
Her hakkı saklıdır
ATATUumlRK UumlNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTUumlSUuml
YUumlKSEK LİSANS TEZİ
AMONYAK BORANrsquoIN DEHİDROJENLENMESİ İCcedilİN OLDUKCcedilA
AKTİF VE EKONOMİK BİR KATALİZOumlR OLARAK
İNDİRGENMİŞ GRAFEN OKSİTE DESTEKLENMİŞ Cu3Pd
ALAŞIM NANOPARTİKUumlLLERİ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ
KİMYA ANABİLİM DALI
Anorganik Kimya Bilim Dalı
ERZURUM
2015
Her hakkı saklıdır
TC
ATATUumlRK UumlNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTUumlSUuml
TEZ ONAY FORMU
AMONYAK BORANrsquoIN DEHİDROJENLENMESİ İCcedilİN OLDUKCcedilA AKTİF VE
EKONOMİK BİR KATALİZOumlR OLARAK İNDİRGENMİŞ GRAFEN OKSİTE
DESTEKLENMİŞ Cu3Pd ALAŞIM NANOPARTİKUumlLLERİ
Doccedil Dr Oumlnder METİN danışmanlığında Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ tarafından hazırlanan
bu ccedilalışma tarihinde aşağıdaki juumlri tarafından Kimya Anabilim Dalı -
Anorganik Kimya Bilim Dalırsquonda Yuumlksek Lisans tezi olarak oybirliğioy ccedilokluğu
(helliphellip) ile kabul edilmiştir
Başkan İmza
Uumlye İmza
Uumlye İmza
Yukarıdaki sonuccedil
Enstituuml Youmlnetim Kurulu helliphellip tarih ve nolu
kararı ile onaylanmıştır
Prof Dr İhsan EFEOĞLU
Enstituuml Muumlduumlruuml
Not Bu tezde kullanılan oumlzguumln ve başka kaynaklardan yapılan bildirişlerin ccedilizelge şekil ve fotoğrafların kaynak
olarak kullanımı 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki huumlkuumlmlere tabidir
i
OumlZET
Yuumlksek Lisans Tezi
AMONYAK BORANrsquoIN DEHİDROJENLENMESİ İCcedilİN OLDUKCcedilA AKTİF VE
EKONOMİK BİR KATALİZOumlR OLARAK İNDİRGENMİŞ GRAFEN OKSİTE
DESTEKLENMİŞ Cu3Pd ALAŞIM NANOPARTİKUumlLLERİ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ
Atatuumlrk Uumlniversitesi
Fen Bilimleri Enstituumlsuuml
Kimya Anabilim Dalı
Anorganik Kimya Bilim Dalı
Danışman Doccedil Dr Oumlnder METİN
Bu tez ccedilalışmasında tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım nanopartikuumlllerinin (NP)
kompozisyon kontrolluuml sentezi yapısal tanımlanmaları ve indirgenmiş grafen oksite
(İGO) desteklendikten sonra amonyak boranın (AB) hidrolitik dehidrojenlenmesinde
katalitik etkinliği incelendi Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri
paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2) ve bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2) başlangıccedil
metal tuzlarının oleyilamin (OAm) ve 1-oktadesen (ODE) iccedilerisinde morfolin-boran
(MB) ile 80degCrsquode eş-zamanlı indirgenmesi yoluyla sentezlendi CuPd alaşım NPrsquoleri
iccedilin oluşturulan reccedilete komposizyon kontroluumlne izin vermektedir CuPd alaşım NPrsquoleri
27nm Cu30Pd70 29nm Cu48Pd52 ve 30nm Cu75Pd25 olarak uumlccedil farklı komposizyon da
sentezlendi ve İGOrsquoya desteklenen bu kompozisyonlardan ABrsquonin hidrolitik
dehidrojenasyonu iccedilin en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri goumlsterdi
Daha sonra test edilen farklı destek malzemeleri arasında Cu75Pd25 NPrsquolerin ABrsquonin
hidrolitik dehidrojenasyonu iccedilin en yuumlksek katalitik etkinliği İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri goumlsterdi Ayrıca İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml Ar-H2 (5H2) gazı atmosferinde
400oCrsquode 1 saat tavlama işlemi yapılarak oda sıcaklığında ABrsquonin hidrolizinde ccedilevrim
sayısı (TOF) 131dk-1
rsquoden 299dk-1
rsquoa artırıldı İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerinin sağladığı bu
TOF değeri literatuumlrde mevcut monometalik İGO-Cu (TOF=361dk-1
) ve İGO-Pdrsquodan
(TOF=266dk-1
) daha yuumlksektir Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile hidrolizindeki kinetiği
katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışılarak tepkimenin hız
yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
2015 58 Sayfa
Anahtar Kelimeler CuPd alaşım nanopartikuumll indirgenmiş grafen oksit
kompozisyon kontrol heterojen katalizoumlr dehidrojenlenme amonyak boran
ii
ABSTRACT
Master Thesis
Cu3Pd ALLOY NANOPARTICLES SUPPORTED ON REDUCED GRAPHENE
OXIDE AS ACTIVE AND ECONOMICAL CATALYSTS FOR THE
HYDROLYTIC DEHYDROGENATION OF AMMONIA BORANE
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ
Ataturk University
Graduate School of Natural and Applied Sciences
Department of Chemistry
Inorganic Chemistry Department
Supervisor Assoc Prof Dr Oumlnder METİN
In this thesis study the composition-controlled synthesis and catalysis of CuPd alloy
nanoparticles (NPs) supported on reduced graphene oxide (RGO) in the hydrolytic
dehydrogenation of ammonia borane (AB) were studied Nearly monodisperse CuPd
alloy NPs were synthesized by using a surfactant-assisted organic solution phase
protocol comprising the co-reduction of copper(II) acetylacetonate and palladium(II)
acetylacetonate precursors by morpholine-borane complex (MB) in oleylamine and 1-
octadecene at 80degC The presented recipe allowed us to make a composition control
over the CuPd alloy NPs Three different compositions of CuPd alloy NPs (27nm
Cu30Pd70 29nm Cu48Pd52 and 30nm Cu75Pd25) could be prepared among which the
Cu75Pd25 NPs showed the best catalytic performance in hydrogen generation from the
hydrolysis of AB Among the various support materials tested for as-prepared Cu75Pd25
alloy NPs the RGO-Cu75Pd25 catalysts showed the highest performance in the
hydrolysis of AB Moreover the activity of the RGO-Cu75Pd25 catalysts were
dramatically enhanced by annealing them at 400degC for 1h under Ar-H2 (5H2) gas flow
and an unprecedented TOF value of 299min-1
was obtained in the hydrolysis of AB at
room temperature The reported TOF value here is much higher than the ones for RGO-
Cu (TOF=361min-1
) and RGO-Pd catalysts (TOF=266min-1
) The detailed kinetics of
RGO-Cu75Pd25 catalyzed AB hydrolysis was also studied depending on catalyst
concentration substrate concentration and temperature
2015 58 Pages
Keywords CuPd alloy nanoparticles reduced graphene oxide composition control
heterogeneous catalysis dehydrogenation ammonia borane
iii
TEŞEKKUumlR
Yuumlksek lisans tezi olarak sunduğum bu ccedilalışma Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi
Kimya Boumlluumlmuumlnde Tuumlrkiye Bilimler Akademisi Uumlstuumln Başarılı Genccedil Bilim İnsanı
Programı (TUumlBA-GEBİP) kapsamında gerccedilekleştirilmiştir
Bu tezin gerccedilekleştirilmesinde bilgi birikimlerinden faydalandığım yanında
ccedilalışmaktan onur duyduğum tecruumlbelerinden yararlanırken goumlstermiş olduğu
hoşgoumlruumlden ve sabrından dolayı değerli danışman hocam Sayın Doccedil Dr Oumlnder
METİNrsquoe teşekkuumlr ederim
Anorganik kimya araştırma grubu arkadaşlarım Sayın Arş Goumlr Melike SEVİM
Suumlmeyra DİYARBAKIR Hasan CAN N Sedanur CcedilİFTCİ Guumllşah CcedilELİKDAĞ ve
Katip KORKMAZrsquoa tez ccedilalışmalarım suumlresince yanımda oldukları iccedilin teşekkuumlr ederim
Beni buumlyuumlk fedakacircrlıklar ile buguumlne getiren desteklerini benden hiccedil esirgemeyen
annem Pervin ve babam Cemil GUumlNGOumlRMEZ başta olmak uumlzere kardeşlerim Buumlşra ve
Berrarsquoya daima yanımda olduklarını hissettiren ablam Pelin GUumlNGOumlRMEZ KAKŞA
ve eniştem Mustafa KAKŞArsquoya teşekkuumlr ederim
Beni yetiştiren Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlne ve tuumlm hocalarıma teşekkuumlr ederim
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ
Ocak 2015
iv
İCcedilİNDEKİLER
OumlZET i
ABSTRACT ii
TEŞEKKUumlR iii
SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ vi
ŞEKİLLER DİZİNİ viii
CcedilİZELGELER DİZİNİ xi
1 GİRİŞ 1
2 KAYNAK OumlZETLERİ 4
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri 4
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri 4
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması 5
211b Buhar reformasyonu 5
211c Kvaerner youmlntemi 5
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu 6
211e Suyun elektrolizi 6
211f Suyun termal bozulması 6
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi 7
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi 7
212 Hidrojen Ekonomisi 7
213 Hidrojen Depolama 8
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri 8
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri 9
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri 11
214a Termoliz 12
214b Dehidrojenlenme 12
214c Solvoliz 12
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri 13
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri 14
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu) 14
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu) 15
v
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml 17
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması 17
223a Sterik kararlılaştırma 17
223b Elektrostatik kararlılaştırma 18
223c Elektrostatik denge 18
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri 19
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması 21
23 Katalizoumlr 22
231 Homojen katalizoumlrler 24
232 Heterojen katalizoumlrler 24
24 Grafen 26
241 Grafenin kullanım alanları 28
3 MATERYAL ve YOumlNTEM 29
31 Kimyasallar 29
32 Cihazlar 29
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi 30
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi 31
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi 34
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı 35
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği 36
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml 37
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA 38
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması 38
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları 45
5 SONUCcedilLAR 51
KAYNAKLAR 53
EKLER 58
EK 1 58
OumlZGECcedilMİŞ 59
vi
SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ
Ar-H2 Argon-Hidrojen
C60 Fulleren
CO Karbonmonoksit
CO2 Karbondioksit
CoPd Kobalt Paladyum
Cu Bakır
Cu(acac)2 Bakır(II) asetilasetonat
CuRu Bakır Rutenyum
Ea Aktivasyon Enerjisi
K Kelvin
Kgoumlzlenen Goumlzlenen Hız Sabiti
nano-Al2O3 Aluumlminyum Oksit
NiPd Nikel Paladyum
Pd Paladyum
Pd(acac)2 Paladyum(II) asetilasetonat
PtRu Platin Rutenyum
Kısaltmalar
AB Amonyak Boran
AC Aktif karbon
11B-NMR Bor Nuumlkleer Manyetik Rezonans
DMF NN Dimetilformamid
ICP-MS Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer (İnduumlktif Eşleşmiş
Plazma Optik Emisyon Spektrometresi)
İGO İndirgenmiş grafen oksit
İGO-CuPd İndirgenmiş grafen oksite destekli bakır paladyum nanopartikuumllleri
MB Morfolin boran
nm Nanometre
vii
NP Nanopartikuumll
OAm Oleyilamin
ODE Oktadesen
PVP Poli (N-vinil-2-pirolidon)
TEM Transmission Electron Microscopy (Geccedilirimli Elektron Mikroskopu)
TOF Turnover Frequency (Ccedilevrim Frekansı)
TON Turnover Number (Ccedilevrim sayısı)
TTON Total Turnover Number (Toplam Ccedilevrim sayısı)
XRD X-ray Diffruction (X ışınları kırınımı spektroskopisi)
viii
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses 6
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi 7
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr 9
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce
iccedilerdikleri hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması 11
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı 11
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi 13
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri 14
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim 15
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi 16
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP
oluşumu 17
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik
etkileşimi goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak
kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi 18
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması 19
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler 20
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar 21
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması 22
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi 24
Şekil 217 Grafen yapısı 26
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi 27
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi 30
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması 31
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması 32
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı 33
ix
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı
akışında tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi 35
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini
oumllccedilmeyi sağlayan sistem 36
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri 38
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri 39
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25
NPrsquolerin TEM goumlruumlntuumlleri 40
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25
NPrsquolerine ait XRD desenleri 41
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise
başlangıccedil TOF değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini
goumlsterir 42
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 43
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz
karışımı altında 400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen
yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 44
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml 45
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin
25plusmn05degCrsquode gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen
gazının mol miktarının zamana karşı grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı
ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir 46
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının
mol miktarının zaman karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB]
grafiğini goumlstermektedir 47
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM
ABrsquonin hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının
zamana karşı grafiği 48
x
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği 49
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin
zamana karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği 50
xi
CcedilİZELGELER DİZİNİ
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması 25
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri
ve elde edilen TOF değerleri 52
1
1 GİRİŞ
Duumlnya enerji ihtiyacının buumlyuumlk bir kısmını fosil yakıtlardan karşılamaktadır Fosil
yakıtların yoğun bir şekilde kullanılması sonucu atmosfere salınan başta CO2 olmak
uumlzere zararlı sera gazları hava kirliliğine ve kuumlresel ısınmaya sebep olmaktadır Hava
kirliliğini ve kuumlresel ısınmayı oumlnlemek amacıyla fosil yakıtlara alternatif olarak ruumlzgar
ve guumlneş enerjisi başta olmak uumlzere yenilenebilir enerji kaynakları uumlzerine
ccedilalışılmaktadır Ancak bu yenilenebilir enerji kaynaklarında en buumlyuumlk sorun suumlreksiz
olmaları ve kurulum maliyetlerinin yuumlksek olmasıdır Bu nedenle yenilenebilir enerji
kaynaklarına alternatif olarak hidrojenin enerji taşıyıcı olarak kullanılması avantajlıdır
Temiz bir enerji taşıyıcısı olan hidrojen son zamanlardaki bilimsel ve teknolojik
gelişmeler sayesinde guumlnluumlk uygulamalarda yerini almıştır Taşınabilir yakıt huumlcresi
teknolojilerinin yanı sıra ccedileşitli otomobil şirketleri 2015 yılında satış iccedilin hidrojen
yakıtlı araccedilların uumlretimini accedilıklamışlardır (Laird 2014) Hidrojen duumlnya ccedilapında gelecek
iccedilin enerji sorunlarının ccediloumlzuumlmuuml olarak kabul edilmektedir (Stetson 2013)
Hidrojen ekonomisinde son yıllarda meydana gelen oumlnemli gelişmelere rağmen halen
hidrojenin guumlnluumlk kullanımına youmlnelik oumlnemli teknolojik ve ekonomik engeller
bulunmaktadır (Stetson 2013) Buguumlne kadar ccedilok sayıda depolama teknikleri
geliştirilmiş olmasına rağmen hidrojenin guumlvenli depolanması ve kontrolluuml bir şekilde
salıverilmesi suumlregelen ccediloumlzuumllememiş sorunlar arasında en oumlnemlisidir Depolama
sorununa ccediloumlzuumlm olarak hidrojeni katı fazda kimyasal bileşik halinde depolama en ccedilok
incelenen teknolojilerden biridir AB kompleksi (H3NBH3) şimdiye kadar test edilen
kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında gravimetrik ve hacimsel olarak en
yuumlksek hidrojen iccedileriğine sahiptir Duumlşuumlk molekuumll ağırlığı zehirsiz olması ve ccediloumlzelti
iccedilerisinde kararlı olarak bulunması ABrsquonin diğer depolama malzemelerine goumlre
avantajlarıdır (Stephens et al 2007) AB uygun katalizoumlr varlığında hidroliz yolu ile oda
sıcaklığında tuumlm hidrojenini kolayca salıveririr Aşağıda ABrsquonin hidroliz tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
)(3H)()BONH()( O2H)(NBHH 224233 gsulussuluKatalizoumlr
2
Buguumlne kadar ccedileşitli katalizoumlrler ABrsquonin hidroliziyle test edilmiştir AB hidrolizinde en
yuumlksek hidrojen gazı salınımını soy metaller (Pt Ru Rh Pd) ya da bu metallerin
bimetalik formundaki katalizoumlrler goumlstermiştir Soy metaller arasında Pd diğerlerine
goumlre daha ucuz olması ve ABrsquonin dehidrojenlenmesinde umut vaat eden aktivitesi ile en
iyi seccedilenek olarak kabul edilmektedir
Diğer taraftan birinci sıra geccediliş metalleri (Fe Co Ni Cu) varlığında Pdrsquonin bimetalik
NPrsquolerinin hazırlanmasıyla daha ekonomik ve daha aktif Pd katalizoumlrlerin sentezi
gerccedilekleştirilir Literatuumlrde karbon destekli CoPd (Sun et al 2011) ve İGO destekli
NiPd alaşım NPrsquolerinin (Ccediliftci and Metin 2014) ABrsquonin hidrolitik
dehidrojenlenmesinde yuumlksek katalitik etkinliğe sahip katalizoumlrler oldukları grubumuz
tarafından bildirildi Ancak ABrsquonin dehidrojenlenmesi uumlzerine detaylı bir literatuumlr
taraması yapıldığında Cu esaslı katalizoumlrlerin ABrsquonin hidrolizinde sınırlı sayıda
ccedilalışılmış olduğu ve aktivitelerinin duumlşuumlk olduğu goumlruumllmektedir Oumlrneğin İGO-Cu
katalizoumlruuml (Yang et al 2014) ABrsquonin hidrolizindeki ccedilevrim frekansının (TOF) 361dk-1
olduğu bildirilmiştir Bununla birlikte İGO-CuRu alaşım NPrsquolerinin (Cao et al 2014)
AB ile hidrolizinde TOF değeri 135dk-1
olarak bildirilmiştir Bu ve buna benzer
ccedilalışmalar bize bir soy metal ile ucuz olan Cursquonun bimetalik NPrsquolerinin hazırlanması ile
ABrsquonin hidrolizi iccedilin etkin ve ekonomik katalizoumlrler geliştirilebileceğini goumlstermektedir
Biz de bu motivasyon ve daha oumlnce bildirdiğimiz CoPd ve NiPd alaşım NPrsquolerinin
ABrsquonin hidrolizindeki aktivitelerini goumlz oumlnuumlne alarak bu tez ccedilalışmasında İGOrsquoya
desteklenmiş CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinliklerini
inceledik Bu tez ccedilalışması CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde test edilmesi
youmlnuumlnden literatuumlrde ilk oumlrnektir Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri
Cu(acac)2 ve Pd(acac)2 başlangıccedil metal tuzlarının OAm ve ODE iccedilerisinde 80degCrsquode eş
zamanlı indirgenmesi yolu ile sentezlendi Mevcut reccedilete ile CuPd NPrsquolerinin
kompozisyon kontrolluuml sentezi gerccedilekleştirildi ve CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı
kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25) sentezlendi CuPd alaşım NPrsquolerinin
sentezlenen uumlccedil farklı kompozisyonu İGOrsquoya desteklendi ve ABrsquonin hidrolizinde
katalizoumlr olarak test edildi Test edilen kompozisyonlar arasında en yuumlksek katalitik
3
etkinliği 131dk-1
ccedilevrim frekansı ile İGO-Cu75Pd25 goumlsterdi İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruumlnuumln katalitik etkinliği 400degCrsquode Ar-H2(5H2) gaz atmosferinde 1 saat
tavlama yolu ile 299dk-1
ccedilevrim frekansına artırıldı Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile
hidrolizindeki kinetiği katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak
ccedilalışılarak tepkimenin hız yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
4
2 KAYNAK OumlZETLERİ
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri
Periyodik cetvelin sol uumlst koumlşesinde yer alan hidrojenin ccedilekirdeğinde bir proton ve dış
youmlruumlngesinde bir elektron vardır En hafif element olarak bilinen hidrojenin atomik
kuumltlesi 100794gmolrsquoduumlr Standart sıcaklık ve basınccedil altında hidrojen renksiz kokusuz
tatsız metalik olmayan yoğunluğu havadan 144 kez daha hafif olan bir elementtir
Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz bileşikler halinde bulunur En ccedilok bilinen
bileşiği ise sudur Temiz enerji taşıyıcı olarak hidrojen kuumltle bazında yuumlksek bir spesifik
enerjiye sahiptir (oumlrneğin hidrojenin 95kg enerji iccedileriği benzinin 25kg enerjisine
eşdeğerdir) Hidrojen doğalgaz koumlmuumlr ağır hidrokarbonların gazlaştırılması buhar
reformasyonu suyun elektrolizi termokimyasal ayrışma gibi birccedilok teknikle ile elde
edilebilir (Momirlan and Veziroğlu 2005)
Bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin kullanılması CO2 emisyonlarını azaltmak iccedilin
uzun vadeli bir seccedilenektir Yenilenebilir enerji kaynaklarından uumlretilen hidrojen
gelecekteki enerji ihtiyacının buumlyuumlk boumlluumlmuumlnuuml karşılayıp ccedilevre kirliliğinin oumlnuumlne
geccedilecektir
Hidrojen petrokimya gıda mikroelektronik demir ve polimer sentezinde kimyasal
hammadde olarak kullanılan sistemlerde enerji taşıyıcı olarak avantajlı ve temiz
suumlrduumlruumllebilir enerji sistemlerinde kullanılmaktadır (Midilli et al 2005) Aynı zamanda
organik sentezlerde de yaygın olarak kullanılan bir indirgendir
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir Fakat doğada saf halde bulunmaz diğer
elementlerle bileşikler halinde bulunur
5
Bu yuumlzden hidrojenin uumlretimi iccedilin birccedilok metot bulunmaktadır Aşağıda hidrojen uumlretim
metodlarının en yaygın olanlarından kısaca bahsedilmektedir
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması
Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500degC sıcaklığa kadar olan suumlreccedil
piroliz safhası olup burada karbon gazlar ve katran elde edilir Yuumlksek sıcaklık ve
basınccedil uygulandığında karbon su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 uumlretilir
(Besancon et al 2009)
211b Buhar reformasyonu
Hidrojen uumlretimi iccedilin en yaygın olarak kullanılan youmlntemdir Reaksiyon yuumlksek basınccedil
ve sıcaklıkta Ni katalizoumlruuml eşliğinde gerccedilekleşir Endotermik bir reaksiyon olup ihtiyaccedil
duyulan enerjinin bir kısmı metan gazının yanması ile elde edilir (Kothari et al 2008)
211c Kvaerner youmlntemi
Bu teknik yuumlksek sıcaklıklarda hidrokarbonlardan elektrik akımı geccedilirilerek aktif
karbon ve hidrojen uumlretiminin gerccedilekleştirilmesi esasına dayanır Suumlreccedil sonunda CO2
oluşmaması diğer youmlntemlere goumlre bir avantaj sağlar Oluşan mevcut enerjinin yaklaşık
olarak 40rsquoını aktif karbon (AC) 48rsquoini hidrojen ve 10rsquonunu su buharı oluşturur
CH4 H2O CO +
CO H2O CO2 H2 +
CO 3H2 CH4 H2 +
3H2
CnH
m Enerji nC m2 H
2 + +
+
+
+
6
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu katalizoumlre ihtiyaccedil olmadan duumlşuumlk basınccedil altında
gerccedilekleşir Kısmi oksidasyon işleminin dezavantajı ise ortama CO2 ile birlikte aynı
zamanda CO gazı accedilığa ccedilıkarmasıdır Ccedilıkan CO gazıda elde edilen hidrojenin kullanım
alanını kısıtlamaktadır Ortalama verim 50 civarındadır (Dinccediler 2002)
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses
211e Suyun elektrolizi
Sudan elektrik akımı geccedilirerek su molekuumlllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını
sağlar Bu teknik hidrojen uumlretimi iccedilin bilinen en kolay youmlntemdir Hidrojen uumlretiminde
atmosfere herhangi bir kirletici gaz accedilığa ccedilıkarmadığından dolayı diğer youmlntemlere goumlre
avantajlı fakat fosil yakıtlara goumlre yuumlksek maliyetlidir (Acar and Dinccediler 2014) Ancak
elektroliz iccedilin gereken enerji yine fosil yakıtlardan sağlandığı iccedilin gelecekte yaygın
kullanımı konusunda şuumlpheler vardır
211f Suyun termal bozulması
Su buharının hidrojen ve oksijene ayrılması iccedilin ısının kullanıldığı bir metottur Basit
bir uygulamadır Suyun ccedilok yuumlksek sıcaklığa (3400K) ısıtılması ile doumlnuumlşuumlm gerccedilekleşir
(Dinccediler 2002)
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
ATATUumlRK UumlNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTUumlSUuml
YUumlKSEK LİSANS TEZİ
AMONYAK BORANrsquoIN DEHİDROJENLENMESİ İCcedilİN OLDUKCcedilA
AKTİF VE EKONOMİK BİR KATALİZOumlR OLARAK
İNDİRGENMİŞ GRAFEN OKSİTE DESTEKLENMİŞ Cu3Pd
ALAŞIM NANOPARTİKUumlLLERİ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ
KİMYA ANABİLİM DALI
Anorganik Kimya Bilim Dalı
ERZURUM
2015
Her hakkı saklıdır
TC
ATATUumlRK UumlNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTUumlSUuml
TEZ ONAY FORMU
AMONYAK BORANrsquoIN DEHİDROJENLENMESİ İCcedilİN OLDUKCcedilA AKTİF VE
EKONOMİK BİR KATALİZOumlR OLARAK İNDİRGENMİŞ GRAFEN OKSİTE
DESTEKLENMİŞ Cu3Pd ALAŞIM NANOPARTİKUumlLLERİ
Doccedil Dr Oumlnder METİN danışmanlığında Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ tarafından hazırlanan
bu ccedilalışma tarihinde aşağıdaki juumlri tarafından Kimya Anabilim Dalı -
Anorganik Kimya Bilim Dalırsquonda Yuumlksek Lisans tezi olarak oybirliğioy ccedilokluğu
(helliphellip) ile kabul edilmiştir
Başkan İmza
Uumlye İmza
Uumlye İmza
Yukarıdaki sonuccedil
Enstituuml Youmlnetim Kurulu helliphellip tarih ve nolu
kararı ile onaylanmıştır
Prof Dr İhsan EFEOĞLU
Enstituuml Muumlduumlruuml
Not Bu tezde kullanılan oumlzguumln ve başka kaynaklardan yapılan bildirişlerin ccedilizelge şekil ve fotoğrafların kaynak
olarak kullanımı 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki huumlkuumlmlere tabidir
i
OumlZET
Yuumlksek Lisans Tezi
AMONYAK BORANrsquoIN DEHİDROJENLENMESİ İCcedilİN OLDUKCcedilA AKTİF VE
EKONOMİK BİR KATALİZOumlR OLARAK İNDİRGENMİŞ GRAFEN OKSİTE
DESTEKLENMİŞ Cu3Pd ALAŞIM NANOPARTİKUumlLLERİ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ
Atatuumlrk Uumlniversitesi
Fen Bilimleri Enstituumlsuuml
Kimya Anabilim Dalı
Anorganik Kimya Bilim Dalı
Danışman Doccedil Dr Oumlnder METİN
Bu tez ccedilalışmasında tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım nanopartikuumlllerinin (NP)
kompozisyon kontrolluuml sentezi yapısal tanımlanmaları ve indirgenmiş grafen oksite
(İGO) desteklendikten sonra amonyak boranın (AB) hidrolitik dehidrojenlenmesinde
katalitik etkinliği incelendi Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri
paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2) ve bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2) başlangıccedil
metal tuzlarının oleyilamin (OAm) ve 1-oktadesen (ODE) iccedilerisinde morfolin-boran
(MB) ile 80degCrsquode eş-zamanlı indirgenmesi yoluyla sentezlendi CuPd alaşım NPrsquoleri
iccedilin oluşturulan reccedilete komposizyon kontroluumlne izin vermektedir CuPd alaşım NPrsquoleri
27nm Cu30Pd70 29nm Cu48Pd52 ve 30nm Cu75Pd25 olarak uumlccedil farklı komposizyon da
sentezlendi ve İGOrsquoya desteklenen bu kompozisyonlardan ABrsquonin hidrolitik
dehidrojenasyonu iccedilin en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri goumlsterdi
Daha sonra test edilen farklı destek malzemeleri arasında Cu75Pd25 NPrsquolerin ABrsquonin
hidrolitik dehidrojenasyonu iccedilin en yuumlksek katalitik etkinliği İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri goumlsterdi Ayrıca İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml Ar-H2 (5H2) gazı atmosferinde
400oCrsquode 1 saat tavlama işlemi yapılarak oda sıcaklığında ABrsquonin hidrolizinde ccedilevrim
sayısı (TOF) 131dk-1
rsquoden 299dk-1
rsquoa artırıldı İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerinin sağladığı bu
TOF değeri literatuumlrde mevcut monometalik İGO-Cu (TOF=361dk-1
) ve İGO-Pdrsquodan
(TOF=266dk-1
) daha yuumlksektir Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile hidrolizindeki kinetiği
katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışılarak tepkimenin hız
yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
2015 58 Sayfa
Anahtar Kelimeler CuPd alaşım nanopartikuumll indirgenmiş grafen oksit
kompozisyon kontrol heterojen katalizoumlr dehidrojenlenme amonyak boran
ii
ABSTRACT
Master Thesis
Cu3Pd ALLOY NANOPARTICLES SUPPORTED ON REDUCED GRAPHENE
OXIDE AS ACTIVE AND ECONOMICAL CATALYSTS FOR THE
HYDROLYTIC DEHYDROGENATION OF AMMONIA BORANE
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ
Ataturk University
Graduate School of Natural and Applied Sciences
Department of Chemistry
Inorganic Chemistry Department
Supervisor Assoc Prof Dr Oumlnder METİN
In this thesis study the composition-controlled synthesis and catalysis of CuPd alloy
nanoparticles (NPs) supported on reduced graphene oxide (RGO) in the hydrolytic
dehydrogenation of ammonia borane (AB) were studied Nearly monodisperse CuPd
alloy NPs were synthesized by using a surfactant-assisted organic solution phase
protocol comprising the co-reduction of copper(II) acetylacetonate and palladium(II)
acetylacetonate precursors by morpholine-borane complex (MB) in oleylamine and 1-
octadecene at 80degC The presented recipe allowed us to make a composition control
over the CuPd alloy NPs Three different compositions of CuPd alloy NPs (27nm
Cu30Pd70 29nm Cu48Pd52 and 30nm Cu75Pd25) could be prepared among which the
Cu75Pd25 NPs showed the best catalytic performance in hydrogen generation from the
hydrolysis of AB Among the various support materials tested for as-prepared Cu75Pd25
alloy NPs the RGO-Cu75Pd25 catalysts showed the highest performance in the
hydrolysis of AB Moreover the activity of the RGO-Cu75Pd25 catalysts were
dramatically enhanced by annealing them at 400degC for 1h under Ar-H2 (5H2) gas flow
and an unprecedented TOF value of 299min-1
was obtained in the hydrolysis of AB at
room temperature The reported TOF value here is much higher than the ones for RGO-
Cu (TOF=361min-1
) and RGO-Pd catalysts (TOF=266min-1
) The detailed kinetics of
RGO-Cu75Pd25 catalyzed AB hydrolysis was also studied depending on catalyst
concentration substrate concentration and temperature
2015 58 Pages
Keywords CuPd alloy nanoparticles reduced graphene oxide composition control
heterogeneous catalysis dehydrogenation ammonia borane
iii
TEŞEKKUumlR
Yuumlksek lisans tezi olarak sunduğum bu ccedilalışma Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi
Kimya Boumlluumlmuumlnde Tuumlrkiye Bilimler Akademisi Uumlstuumln Başarılı Genccedil Bilim İnsanı
Programı (TUumlBA-GEBİP) kapsamında gerccedilekleştirilmiştir
Bu tezin gerccedilekleştirilmesinde bilgi birikimlerinden faydalandığım yanında
ccedilalışmaktan onur duyduğum tecruumlbelerinden yararlanırken goumlstermiş olduğu
hoşgoumlruumlden ve sabrından dolayı değerli danışman hocam Sayın Doccedil Dr Oumlnder
METİNrsquoe teşekkuumlr ederim
Anorganik kimya araştırma grubu arkadaşlarım Sayın Arş Goumlr Melike SEVİM
Suumlmeyra DİYARBAKIR Hasan CAN N Sedanur CcedilİFTCİ Guumllşah CcedilELİKDAĞ ve
Katip KORKMAZrsquoa tez ccedilalışmalarım suumlresince yanımda oldukları iccedilin teşekkuumlr ederim
Beni buumlyuumlk fedakacircrlıklar ile buguumlne getiren desteklerini benden hiccedil esirgemeyen
annem Pervin ve babam Cemil GUumlNGOumlRMEZ başta olmak uumlzere kardeşlerim Buumlşra ve
Berrarsquoya daima yanımda olduklarını hissettiren ablam Pelin GUumlNGOumlRMEZ KAKŞA
ve eniştem Mustafa KAKŞArsquoya teşekkuumlr ederim
Beni yetiştiren Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlne ve tuumlm hocalarıma teşekkuumlr ederim
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ
Ocak 2015
iv
İCcedilİNDEKİLER
OumlZET i
ABSTRACT ii
TEŞEKKUumlR iii
SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ vi
ŞEKİLLER DİZİNİ viii
CcedilİZELGELER DİZİNİ xi
1 GİRİŞ 1
2 KAYNAK OumlZETLERİ 4
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri 4
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri 4
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması 5
211b Buhar reformasyonu 5
211c Kvaerner youmlntemi 5
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu 6
211e Suyun elektrolizi 6
211f Suyun termal bozulması 6
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi 7
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi 7
212 Hidrojen Ekonomisi 7
213 Hidrojen Depolama 8
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri 8
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri 9
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri 11
214a Termoliz 12
214b Dehidrojenlenme 12
214c Solvoliz 12
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri 13
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri 14
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu) 14
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu) 15
v
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml 17
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması 17
223a Sterik kararlılaştırma 17
223b Elektrostatik kararlılaştırma 18
223c Elektrostatik denge 18
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri 19
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması 21
23 Katalizoumlr 22
231 Homojen katalizoumlrler 24
232 Heterojen katalizoumlrler 24
24 Grafen 26
241 Grafenin kullanım alanları 28
3 MATERYAL ve YOumlNTEM 29
31 Kimyasallar 29
32 Cihazlar 29
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi 30
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi 31
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi 34
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı 35
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği 36
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml 37
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA 38
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması 38
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları 45
5 SONUCcedilLAR 51
KAYNAKLAR 53
EKLER 58
EK 1 58
OumlZGECcedilMİŞ 59
vi
SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ
Ar-H2 Argon-Hidrojen
C60 Fulleren
CO Karbonmonoksit
CO2 Karbondioksit
CoPd Kobalt Paladyum
Cu Bakır
Cu(acac)2 Bakır(II) asetilasetonat
CuRu Bakır Rutenyum
Ea Aktivasyon Enerjisi
K Kelvin
Kgoumlzlenen Goumlzlenen Hız Sabiti
nano-Al2O3 Aluumlminyum Oksit
NiPd Nikel Paladyum
Pd Paladyum
Pd(acac)2 Paladyum(II) asetilasetonat
PtRu Platin Rutenyum
Kısaltmalar
AB Amonyak Boran
AC Aktif karbon
11B-NMR Bor Nuumlkleer Manyetik Rezonans
DMF NN Dimetilformamid
ICP-MS Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer (İnduumlktif Eşleşmiş
Plazma Optik Emisyon Spektrometresi)
İGO İndirgenmiş grafen oksit
İGO-CuPd İndirgenmiş grafen oksite destekli bakır paladyum nanopartikuumllleri
MB Morfolin boran
nm Nanometre
vii
NP Nanopartikuumll
OAm Oleyilamin
ODE Oktadesen
PVP Poli (N-vinil-2-pirolidon)
TEM Transmission Electron Microscopy (Geccedilirimli Elektron Mikroskopu)
TOF Turnover Frequency (Ccedilevrim Frekansı)
TON Turnover Number (Ccedilevrim sayısı)
TTON Total Turnover Number (Toplam Ccedilevrim sayısı)
XRD X-ray Diffruction (X ışınları kırınımı spektroskopisi)
viii
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses 6
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi 7
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr 9
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce
iccedilerdikleri hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması 11
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı 11
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi 13
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri 14
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim 15
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi 16
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP
oluşumu 17
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik
etkileşimi goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak
kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi 18
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması 19
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler 20
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar 21
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması 22
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi 24
Şekil 217 Grafen yapısı 26
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi 27
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi 30
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması 31
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması 32
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı 33
ix
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı
akışında tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi 35
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini
oumllccedilmeyi sağlayan sistem 36
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri 38
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri 39
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25
NPrsquolerin TEM goumlruumlntuumlleri 40
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25
NPrsquolerine ait XRD desenleri 41
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise
başlangıccedil TOF değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini
goumlsterir 42
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 43
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz
karışımı altında 400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen
yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 44
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml 45
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin
25plusmn05degCrsquode gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen
gazının mol miktarının zamana karşı grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı
ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir 46
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının
mol miktarının zaman karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB]
grafiğini goumlstermektedir 47
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM
ABrsquonin hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının
zamana karşı grafiği 48
x
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği 49
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin
zamana karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği 50
xi
CcedilİZELGELER DİZİNİ
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması 25
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri
ve elde edilen TOF değerleri 52
1
1 GİRİŞ
Duumlnya enerji ihtiyacının buumlyuumlk bir kısmını fosil yakıtlardan karşılamaktadır Fosil
yakıtların yoğun bir şekilde kullanılması sonucu atmosfere salınan başta CO2 olmak
uumlzere zararlı sera gazları hava kirliliğine ve kuumlresel ısınmaya sebep olmaktadır Hava
kirliliğini ve kuumlresel ısınmayı oumlnlemek amacıyla fosil yakıtlara alternatif olarak ruumlzgar
ve guumlneş enerjisi başta olmak uumlzere yenilenebilir enerji kaynakları uumlzerine
ccedilalışılmaktadır Ancak bu yenilenebilir enerji kaynaklarında en buumlyuumlk sorun suumlreksiz
olmaları ve kurulum maliyetlerinin yuumlksek olmasıdır Bu nedenle yenilenebilir enerji
kaynaklarına alternatif olarak hidrojenin enerji taşıyıcı olarak kullanılması avantajlıdır
Temiz bir enerji taşıyıcısı olan hidrojen son zamanlardaki bilimsel ve teknolojik
gelişmeler sayesinde guumlnluumlk uygulamalarda yerini almıştır Taşınabilir yakıt huumlcresi
teknolojilerinin yanı sıra ccedileşitli otomobil şirketleri 2015 yılında satış iccedilin hidrojen
yakıtlı araccedilların uumlretimini accedilıklamışlardır (Laird 2014) Hidrojen duumlnya ccedilapında gelecek
iccedilin enerji sorunlarının ccediloumlzuumlmuuml olarak kabul edilmektedir (Stetson 2013)
Hidrojen ekonomisinde son yıllarda meydana gelen oumlnemli gelişmelere rağmen halen
hidrojenin guumlnluumlk kullanımına youmlnelik oumlnemli teknolojik ve ekonomik engeller
bulunmaktadır (Stetson 2013) Buguumlne kadar ccedilok sayıda depolama teknikleri
geliştirilmiş olmasına rağmen hidrojenin guumlvenli depolanması ve kontrolluuml bir şekilde
salıverilmesi suumlregelen ccediloumlzuumllememiş sorunlar arasında en oumlnemlisidir Depolama
sorununa ccediloumlzuumlm olarak hidrojeni katı fazda kimyasal bileşik halinde depolama en ccedilok
incelenen teknolojilerden biridir AB kompleksi (H3NBH3) şimdiye kadar test edilen
kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında gravimetrik ve hacimsel olarak en
yuumlksek hidrojen iccedileriğine sahiptir Duumlşuumlk molekuumll ağırlığı zehirsiz olması ve ccediloumlzelti
iccedilerisinde kararlı olarak bulunması ABrsquonin diğer depolama malzemelerine goumlre
avantajlarıdır (Stephens et al 2007) AB uygun katalizoumlr varlığında hidroliz yolu ile oda
sıcaklığında tuumlm hidrojenini kolayca salıveririr Aşağıda ABrsquonin hidroliz tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
)(3H)()BONH()( O2H)(NBHH 224233 gsulussuluKatalizoumlr
2
Buguumlne kadar ccedileşitli katalizoumlrler ABrsquonin hidroliziyle test edilmiştir AB hidrolizinde en
yuumlksek hidrojen gazı salınımını soy metaller (Pt Ru Rh Pd) ya da bu metallerin
bimetalik formundaki katalizoumlrler goumlstermiştir Soy metaller arasında Pd diğerlerine
goumlre daha ucuz olması ve ABrsquonin dehidrojenlenmesinde umut vaat eden aktivitesi ile en
iyi seccedilenek olarak kabul edilmektedir
Diğer taraftan birinci sıra geccediliş metalleri (Fe Co Ni Cu) varlığında Pdrsquonin bimetalik
NPrsquolerinin hazırlanmasıyla daha ekonomik ve daha aktif Pd katalizoumlrlerin sentezi
gerccedilekleştirilir Literatuumlrde karbon destekli CoPd (Sun et al 2011) ve İGO destekli
NiPd alaşım NPrsquolerinin (Ccediliftci and Metin 2014) ABrsquonin hidrolitik
dehidrojenlenmesinde yuumlksek katalitik etkinliğe sahip katalizoumlrler oldukları grubumuz
tarafından bildirildi Ancak ABrsquonin dehidrojenlenmesi uumlzerine detaylı bir literatuumlr
taraması yapıldığında Cu esaslı katalizoumlrlerin ABrsquonin hidrolizinde sınırlı sayıda
ccedilalışılmış olduğu ve aktivitelerinin duumlşuumlk olduğu goumlruumllmektedir Oumlrneğin İGO-Cu
katalizoumlruuml (Yang et al 2014) ABrsquonin hidrolizindeki ccedilevrim frekansının (TOF) 361dk-1
olduğu bildirilmiştir Bununla birlikte İGO-CuRu alaşım NPrsquolerinin (Cao et al 2014)
AB ile hidrolizinde TOF değeri 135dk-1
olarak bildirilmiştir Bu ve buna benzer
ccedilalışmalar bize bir soy metal ile ucuz olan Cursquonun bimetalik NPrsquolerinin hazırlanması ile
ABrsquonin hidrolizi iccedilin etkin ve ekonomik katalizoumlrler geliştirilebileceğini goumlstermektedir
Biz de bu motivasyon ve daha oumlnce bildirdiğimiz CoPd ve NiPd alaşım NPrsquolerinin
ABrsquonin hidrolizindeki aktivitelerini goumlz oumlnuumlne alarak bu tez ccedilalışmasında İGOrsquoya
desteklenmiş CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinliklerini
inceledik Bu tez ccedilalışması CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde test edilmesi
youmlnuumlnden literatuumlrde ilk oumlrnektir Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri
Cu(acac)2 ve Pd(acac)2 başlangıccedil metal tuzlarının OAm ve ODE iccedilerisinde 80degCrsquode eş
zamanlı indirgenmesi yolu ile sentezlendi Mevcut reccedilete ile CuPd NPrsquolerinin
kompozisyon kontrolluuml sentezi gerccedilekleştirildi ve CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı
kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25) sentezlendi CuPd alaşım NPrsquolerinin
sentezlenen uumlccedil farklı kompozisyonu İGOrsquoya desteklendi ve ABrsquonin hidrolizinde
katalizoumlr olarak test edildi Test edilen kompozisyonlar arasında en yuumlksek katalitik
3
etkinliği 131dk-1
ccedilevrim frekansı ile İGO-Cu75Pd25 goumlsterdi İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruumlnuumln katalitik etkinliği 400degCrsquode Ar-H2(5H2) gaz atmosferinde 1 saat
tavlama yolu ile 299dk-1
ccedilevrim frekansına artırıldı Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile
hidrolizindeki kinetiği katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak
ccedilalışılarak tepkimenin hız yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
4
2 KAYNAK OumlZETLERİ
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri
Periyodik cetvelin sol uumlst koumlşesinde yer alan hidrojenin ccedilekirdeğinde bir proton ve dış
youmlruumlngesinde bir elektron vardır En hafif element olarak bilinen hidrojenin atomik
kuumltlesi 100794gmolrsquoduumlr Standart sıcaklık ve basınccedil altında hidrojen renksiz kokusuz
tatsız metalik olmayan yoğunluğu havadan 144 kez daha hafif olan bir elementtir
Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz bileşikler halinde bulunur En ccedilok bilinen
bileşiği ise sudur Temiz enerji taşıyıcı olarak hidrojen kuumltle bazında yuumlksek bir spesifik
enerjiye sahiptir (oumlrneğin hidrojenin 95kg enerji iccedileriği benzinin 25kg enerjisine
eşdeğerdir) Hidrojen doğalgaz koumlmuumlr ağır hidrokarbonların gazlaştırılması buhar
reformasyonu suyun elektrolizi termokimyasal ayrışma gibi birccedilok teknikle ile elde
edilebilir (Momirlan and Veziroğlu 2005)
Bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin kullanılması CO2 emisyonlarını azaltmak iccedilin
uzun vadeli bir seccedilenektir Yenilenebilir enerji kaynaklarından uumlretilen hidrojen
gelecekteki enerji ihtiyacının buumlyuumlk boumlluumlmuumlnuuml karşılayıp ccedilevre kirliliğinin oumlnuumlne
geccedilecektir
Hidrojen petrokimya gıda mikroelektronik demir ve polimer sentezinde kimyasal
hammadde olarak kullanılan sistemlerde enerji taşıyıcı olarak avantajlı ve temiz
suumlrduumlruumllebilir enerji sistemlerinde kullanılmaktadır (Midilli et al 2005) Aynı zamanda
organik sentezlerde de yaygın olarak kullanılan bir indirgendir
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir Fakat doğada saf halde bulunmaz diğer
elementlerle bileşikler halinde bulunur
5
Bu yuumlzden hidrojenin uumlretimi iccedilin birccedilok metot bulunmaktadır Aşağıda hidrojen uumlretim
metodlarının en yaygın olanlarından kısaca bahsedilmektedir
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması
Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500degC sıcaklığa kadar olan suumlreccedil
piroliz safhası olup burada karbon gazlar ve katran elde edilir Yuumlksek sıcaklık ve
basınccedil uygulandığında karbon su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 uumlretilir
(Besancon et al 2009)
211b Buhar reformasyonu
Hidrojen uumlretimi iccedilin en yaygın olarak kullanılan youmlntemdir Reaksiyon yuumlksek basınccedil
ve sıcaklıkta Ni katalizoumlruuml eşliğinde gerccedilekleşir Endotermik bir reaksiyon olup ihtiyaccedil
duyulan enerjinin bir kısmı metan gazının yanması ile elde edilir (Kothari et al 2008)
211c Kvaerner youmlntemi
Bu teknik yuumlksek sıcaklıklarda hidrokarbonlardan elektrik akımı geccedilirilerek aktif
karbon ve hidrojen uumlretiminin gerccedilekleştirilmesi esasına dayanır Suumlreccedil sonunda CO2
oluşmaması diğer youmlntemlere goumlre bir avantaj sağlar Oluşan mevcut enerjinin yaklaşık
olarak 40rsquoını aktif karbon (AC) 48rsquoini hidrojen ve 10rsquonunu su buharı oluşturur
CH4 H2O CO +
CO H2O CO2 H2 +
CO 3H2 CH4 H2 +
3H2
CnH
m Enerji nC m2 H
2 + +
+
+
+
6
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu katalizoumlre ihtiyaccedil olmadan duumlşuumlk basınccedil altında
gerccedilekleşir Kısmi oksidasyon işleminin dezavantajı ise ortama CO2 ile birlikte aynı
zamanda CO gazı accedilığa ccedilıkarmasıdır Ccedilıkan CO gazıda elde edilen hidrojenin kullanım
alanını kısıtlamaktadır Ortalama verim 50 civarındadır (Dinccediler 2002)
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses
211e Suyun elektrolizi
Sudan elektrik akımı geccedilirerek su molekuumlllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını
sağlar Bu teknik hidrojen uumlretimi iccedilin bilinen en kolay youmlntemdir Hidrojen uumlretiminde
atmosfere herhangi bir kirletici gaz accedilığa ccedilıkarmadığından dolayı diğer youmlntemlere goumlre
avantajlı fakat fosil yakıtlara goumlre yuumlksek maliyetlidir (Acar and Dinccediler 2014) Ancak
elektroliz iccedilin gereken enerji yine fosil yakıtlardan sağlandığı iccedilin gelecekte yaygın
kullanımı konusunda şuumlpheler vardır
211f Suyun termal bozulması
Su buharının hidrojen ve oksijene ayrılması iccedilin ısının kullanıldığı bir metottur Basit
bir uygulamadır Suyun ccedilok yuumlksek sıcaklığa (3400K) ısıtılması ile doumlnuumlşuumlm gerccedilekleşir
(Dinccediler 2002)
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
TC
ATATUumlRK UumlNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTUumlSUuml
TEZ ONAY FORMU
AMONYAK BORANrsquoIN DEHİDROJENLENMESİ İCcedilİN OLDUKCcedilA AKTİF VE
EKONOMİK BİR KATALİZOumlR OLARAK İNDİRGENMİŞ GRAFEN OKSİTE
DESTEKLENMİŞ Cu3Pd ALAŞIM NANOPARTİKUumlLLERİ
Doccedil Dr Oumlnder METİN danışmanlığında Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ tarafından hazırlanan
bu ccedilalışma tarihinde aşağıdaki juumlri tarafından Kimya Anabilim Dalı -
Anorganik Kimya Bilim Dalırsquonda Yuumlksek Lisans tezi olarak oybirliğioy ccedilokluğu
(helliphellip) ile kabul edilmiştir
Başkan İmza
Uumlye İmza
Uumlye İmza
Yukarıdaki sonuccedil
Enstituuml Youmlnetim Kurulu helliphellip tarih ve nolu
kararı ile onaylanmıştır
Prof Dr İhsan EFEOĞLU
Enstituuml Muumlduumlruuml
Not Bu tezde kullanılan oumlzguumln ve başka kaynaklardan yapılan bildirişlerin ccedilizelge şekil ve fotoğrafların kaynak
olarak kullanımı 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki huumlkuumlmlere tabidir
i
OumlZET
Yuumlksek Lisans Tezi
AMONYAK BORANrsquoIN DEHİDROJENLENMESİ İCcedilİN OLDUKCcedilA AKTİF VE
EKONOMİK BİR KATALİZOumlR OLARAK İNDİRGENMİŞ GRAFEN OKSİTE
DESTEKLENMİŞ Cu3Pd ALAŞIM NANOPARTİKUumlLLERİ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ
Atatuumlrk Uumlniversitesi
Fen Bilimleri Enstituumlsuuml
Kimya Anabilim Dalı
Anorganik Kimya Bilim Dalı
Danışman Doccedil Dr Oumlnder METİN
Bu tez ccedilalışmasında tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım nanopartikuumlllerinin (NP)
kompozisyon kontrolluuml sentezi yapısal tanımlanmaları ve indirgenmiş grafen oksite
(İGO) desteklendikten sonra amonyak boranın (AB) hidrolitik dehidrojenlenmesinde
katalitik etkinliği incelendi Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri
paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2) ve bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2) başlangıccedil
metal tuzlarının oleyilamin (OAm) ve 1-oktadesen (ODE) iccedilerisinde morfolin-boran
(MB) ile 80degCrsquode eş-zamanlı indirgenmesi yoluyla sentezlendi CuPd alaşım NPrsquoleri
iccedilin oluşturulan reccedilete komposizyon kontroluumlne izin vermektedir CuPd alaşım NPrsquoleri
27nm Cu30Pd70 29nm Cu48Pd52 ve 30nm Cu75Pd25 olarak uumlccedil farklı komposizyon da
sentezlendi ve İGOrsquoya desteklenen bu kompozisyonlardan ABrsquonin hidrolitik
dehidrojenasyonu iccedilin en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri goumlsterdi
Daha sonra test edilen farklı destek malzemeleri arasında Cu75Pd25 NPrsquolerin ABrsquonin
hidrolitik dehidrojenasyonu iccedilin en yuumlksek katalitik etkinliği İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri goumlsterdi Ayrıca İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml Ar-H2 (5H2) gazı atmosferinde
400oCrsquode 1 saat tavlama işlemi yapılarak oda sıcaklığında ABrsquonin hidrolizinde ccedilevrim
sayısı (TOF) 131dk-1
rsquoden 299dk-1
rsquoa artırıldı İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerinin sağladığı bu
TOF değeri literatuumlrde mevcut monometalik İGO-Cu (TOF=361dk-1
) ve İGO-Pdrsquodan
(TOF=266dk-1
) daha yuumlksektir Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile hidrolizindeki kinetiği
katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışılarak tepkimenin hız
yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
2015 58 Sayfa
Anahtar Kelimeler CuPd alaşım nanopartikuumll indirgenmiş grafen oksit
kompozisyon kontrol heterojen katalizoumlr dehidrojenlenme amonyak boran
ii
ABSTRACT
Master Thesis
Cu3Pd ALLOY NANOPARTICLES SUPPORTED ON REDUCED GRAPHENE
OXIDE AS ACTIVE AND ECONOMICAL CATALYSTS FOR THE
HYDROLYTIC DEHYDROGENATION OF AMMONIA BORANE
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ
Ataturk University
Graduate School of Natural and Applied Sciences
Department of Chemistry
Inorganic Chemistry Department
Supervisor Assoc Prof Dr Oumlnder METİN
In this thesis study the composition-controlled synthesis and catalysis of CuPd alloy
nanoparticles (NPs) supported on reduced graphene oxide (RGO) in the hydrolytic
dehydrogenation of ammonia borane (AB) were studied Nearly monodisperse CuPd
alloy NPs were synthesized by using a surfactant-assisted organic solution phase
protocol comprising the co-reduction of copper(II) acetylacetonate and palladium(II)
acetylacetonate precursors by morpholine-borane complex (MB) in oleylamine and 1-
octadecene at 80degC The presented recipe allowed us to make a composition control
over the CuPd alloy NPs Three different compositions of CuPd alloy NPs (27nm
Cu30Pd70 29nm Cu48Pd52 and 30nm Cu75Pd25) could be prepared among which the
Cu75Pd25 NPs showed the best catalytic performance in hydrogen generation from the
hydrolysis of AB Among the various support materials tested for as-prepared Cu75Pd25
alloy NPs the RGO-Cu75Pd25 catalysts showed the highest performance in the
hydrolysis of AB Moreover the activity of the RGO-Cu75Pd25 catalysts were
dramatically enhanced by annealing them at 400degC for 1h under Ar-H2 (5H2) gas flow
and an unprecedented TOF value of 299min-1
was obtained in the hydrolysis of AB at
room temperature The reported TOF value here is much higher than the ones for RGO-
Cu (TOF=361min-1
) and RGO-Pd catalysts (TOF=266min-1
) The detailed kinetics of
RGO-Cu75Pd25 catalyzed AB hydrolysis was also studied depending on catalyst
concentration substrate concentration and temperature
2015 58 Pages
Keywords CuPd alloy nanoparticles reduced graphene oxide composition control
heterogeneous catalysis dehydrogenation ammonia borane
iii
TEŞEKKUumlR
Yuumlksek lisans tezi olarak sunduğum bu ccedilalışma Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi
Kimya Boumlluumlmuumlnde Tuumlrkiye Bilimler Akademisi Uumlstuumln Başarılı Genccedil Bilim İnsanı
Programı (TUumlBA-GEBİP) kapsamında gerccedilekleştirilmiştir
Bu tezin gerccedilekleştirilmesinde bilgi birikimlerinden faydalandığım yanında
ccedilalışmaktan onur duyduğum tecruumlbelerinden yararlanırken goumlstermiş olduğu
hoşgoumlruumlden ve sabrından dolayı değerli danışman hocam Sayın Doccedil Dr Oumlnder
METİNrsquoe teşekkuumlr ederim
Anorganik kimya araştırma grubu arkadaşlarım Sayın Arş Goumlr Melike SEVİM
Suumlmeyra DİYARBAKIR Hasan CAN N Sedanur CcedilİFTCİ Guumllşah CcedilELİKDAĞ ve
Katip KORKMAZrsquoa tez ccedilalışmalarım suumlresince yanımda oldukları iccedilin teşekkuumlr ederim
Beni buumlyuumlk fedakacircrlıklar ile buguumlne getiren desteklerini benden hiccedil esirgemeyen
annem Pervin ve babam Cemil GUumlNGOumlRMEZ başta olmak uumlzere kardeşlerim Buumlşra ve
Berrarsquoya daima yanımda olduklarını hissettiren ablam Pelin GUumlNGOumlRMEZ KAKŞA
ve eniştem Mustafa KAKŞArsquoya teşekkuumlr ederim
Beni yetiştiren Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlne ve tuumlm hocalarıma teşekkuumlr ederim
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ
Ocak 2015
iv
İCcedilİNDEKİLER
OumlZET i
ABSTRACT ii
TEŞEKKUumlR iii
SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ vi
ŞEKİLLER DİZİNİ viii
CcedilİZELGELER DİZİNİ xi
1 GİRİŞ 1
2 KAYNAK OumlZETLERİ 4
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri 4
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri 4
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması 5
211b Buhar reformasyonu 5
211c Kvaerner youmlntemi 5
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu 6
211e Suyun elektrolizi 6
211f Suyun termal bozulması 6
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi 7
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi 7
212 Hidrojen Ekonomisi 7
213 Hidrojen Depolama 8
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri 8
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri 9
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri 11
214a Termoliz 12
214b Dehidrojenlenme 12
214c Solvoliz 12
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri 13
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri 14
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu) 14
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu) 15
v
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml 17
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması 17
223a Sterik kararlılaştırma 17
223b Elektrostatik kararlılaştırma 18
223c Elektrostatik denge 18
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri 19
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması 21
23 Katalizoumlr 22
231 Homojen katalizoumlrler 24
232 Heterojen katalizoumlrler 24
24 Grafen 26
241 Grafenin kullanım alanları 28
3 MATERYAL ve YOumlNTEM 29
31 Kimyasallar 29
32 Cihazlar 29
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi 30
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi 31
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi 34
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı 35
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği 36
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml 37
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA 38
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması 38
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları 45
5 SONUCcedilLAR 51
KAYNAKLAR 53
EKLER 58
EK 1 58
OumlZGECcedilMİŞ 59
vi
SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ
Ar-H2 Argon-Hidrojen
C60 Fulleren
CO Karbonmonoksit
CO2 Karbondioksit
CoPd Kobalt Paladyum
Cu Bakır
Cu(acac)2 Bakır(II) asetilasetonat
CuRu Bakır Rutenyum
Ea Aktivasyon Enerjisi
K Kelvin
Kgoumlzlenen Goumlzlenen Hız Sabiti
nano-Al2O3 Aluumlminyum Oksit
NiPd Nikel Paladyum
Pd Paladyum
Pd(acac)2 Paladyum(II) asetilasetonat
PtRu Platin Rutenyum
Kısaltmalar
AB Amonyak Boran
AC Aktif karbon
11B-NMR Bor Nuumlkleer Manyetik Rezonans
DMF NN Dimetilformamid
ICP-MS Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer (İnduumlktif Eşleşmiş
Plazma Optik Emisyon Spektrometresi)
İGO İndirgenmiş grafen oksit
İGO-CuPd İndirgenmiş grafen oksite destekli bakır paladyum nanopartikuumllleri
MB Morfolin boran
nm Nanometre
vii
NP Nanopartikuumll
OAm Oleyilamin
ODE Oktadesen
PVP Poli (N-vinil-2-pirolidon)
TEM Transmission Electron Microscopy (Geccedilirimli Elektron Mikroskopu)
TOF Turnover Frequency (Ccedilevrim Frekansı)
TON Turnover Number (Ccedilevrim sayısı)
TTON Total Turnover Number (Toplam Ccedilevrim sayısı)
XRD X-ray Diffruction (X ışınları kırınımı spektroskopisi)
viii
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses 6
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi 7
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr 9
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce
iccedilerdikleri hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması 11
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı 11
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi 13
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri 14
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim 15
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi 16
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP
oluşumu 17
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik
etkileşimi goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak
kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi 18
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması 19
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler 20
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar 21
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması 22
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi 24
Şekil 217 Grafen yapısı 26
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi 27
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi 30
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması 31
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması 32
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı 33
ix
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı
akışında tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi 35
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini
oumllccedilmeyi sağlayan sistem 36
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri 38
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri 39
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25
NPrsquolerin TEM goumlruumlntuumlleri 40
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25
NPrsquolerine ait XRD desenleri 41
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise
başlangıccedil TOF değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini
goumlsterir 42
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 43
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz
karışımı altında 400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen
yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 44
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml 45
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin
25plusmn05degCrsquode gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen
gazının mol miktarının zamana karşı grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı
ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir 46
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının
mol miktarının zaman karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB]
grafiğini goumlstermektedir 47
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM
ABrsquonin hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının
zamana karşı grafiği 48
x
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği 49
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin
zamana karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği 50
xi
CcedilİZELGELER DİZİNİ
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması 25
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri
ve elde edilen TOF değerleri 52
1
1 GİRİŞ
Duumlnya enerji ihtiyacının buumlyuumlk bir kısmını fosil yakıtlardan karşılamaktadır Fosil
yakıtların yoğun bir şekilde kullanılması sonucu atmosfere salınan başta CO2 olmak
uumlzere zararlı sera gazları hava kirliliğine ve kuumlresel ısınmaya sebep olmaktadır Hava
kirliliğini ve kuumlresel ısınmayı oumlnlemek amacıyla fosil yakıtlara alternatif olarak ruumlzgar
ve guumlneş enerjisi başta olmak uumlzere yenilenebilir enerji kaynakları uumlzerine
ccedilalışılmaktadır Ancak bu yenilenebilir enerji kaynaklarında en buumlyuumlk sorun suumlreksiz
olmaları ve kurulum maliyetlerinin yuumlksek olmasıdır Bu nedenle yenilenebilir enerji
kaynaklarına alternatif olarak hidrojenin enerji taşıyıcı olarak kullanılması avantajlıdır
Temiz bir enerji taşıyıcısı olan hidrojen son zamanlardaki bilimsel ve teknolojik
gelişmeler sayesinde guumlnluumlk uygulamalarda yerini almıştır Taşınabilir yakıt huumlcresi
teknolojilerinin yanı sıra ccedileşitli otomobil şirketleri 2015 yılında satış iccedilin hidrojen
yakıtlı araccedilların uumlretimini accedilıklamışlardır (Laird 2014) Hidrojen duumlnya ccedilapında gelecek
iccedilin enerji sorunlarının ccediloumlzuumlmuuml olarak kabul edilmektedir (Stetson 2013)
Hidrojen ekonomisinde son yıllarda meydana gelen oumlnemli gelişmelere rağmen halen
hidrojenin guumlnluumlk kullanımına youmlnelik oumlnemli teknolojik ve ekonomik engeller
bulunmaktadır (Stetson 2013) Buguumlne kadar ccedilok sayıda depolama teknikleri
geliştirilmiş olmasına rağmen hidrojenin guumlvenli depolanması ve kontrolluuml bir şekilde
salıverilmesi suumlregelen ccediloumlzuumllememiş sorunlar arasında en oumlnemlisidir Depolama
sorununa ccediloumlzuumlm olarak hidrojeni katı fazda kimyasal bileşik halinde depolama en ccedilok
incelenen teknolojilerden biridir AB kompleksi (H3NBH3) şimdiye kadar test edilen
kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında gravimetrik ve hacimsel olarak en
yuumlksek hidrojen iccedileriğine sahiptir Duumlşuumlk molekuumll ağırlığı zehirsiz olması ve ccediloumlzelti
iccedilerisinde kararlı olarak bulunması ABrsquonin diğer depolama malzemelerine goumlre
avantajlarıdır (Stephens et al 2007) AB uygun katalizoumlr varlığında hidroliz yolu ile oda
sıcaklığında tuumlm hidrojenini kolayca salıveririr Aşağıda ABrsquonin hidroliz tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
)(3H)()BONH()( O2H)(NBHH 224233 gsulussuluKatalizoumlr
2
Buguumlne kadar ccedileşitli katalizoumlrler ABrsquonin hidroliziyle test edilmiştir AB hidrolizinde en
yuumlksek hidrojen gazı salınımını soy metaller (Pt Ru Rh Pd) ya da bu metallerin
bimetalik formundaki katalizoumlrler goumlstermiştir Soy metaller arasında Pd diğerlerine
goumlre daha ucuz olması ve ABrsquonin dehidrojenlenmesinde umut vaat eden aktivitesi ile en
iyi seccedilenek olarak kabul edilmektedir
Diğer taraftan birinci sıra geccediliş metalleri (Fe Co Ni Cu) varlığında Pdrsquonin bimetalik
NPrsquolerinin hazırlanmasıyla daha ekonomik ve daha aktif Pd katalizoumlrlerin sentezi
gerccedilekleştirilir Literatuumlrde karbon destekli CoPd (Sun et al 2011) ve İGO destekli
NiPd alaşım NPrsquolerinin (Ccediliftci and Metin 2014) ABrsquonin hidrolitik
dehidrojenlenmesinde yuumlksek katalitik etkinliğe sahip katalizoumlrler oldukları grubumuz
tarafından bildirildi Ancak ABrsquonin dehidrojenlenmesi uumlzerine detaylı bir literatuumlr
taraması yapıldığında Cu esaslı katalizoumlrlerin ABrsquonin hidrolizinde sınırlı sayıda
ccedilalışılmış olduğu ve aktivitelerinin duumlşuumlk olduğu goumlruumllmektedir Oumlrneğin İGO-Cu
katalizoumlruuml (Yang et al 2014) ABrsquonin hidrolizindeki ccedilevrim frekansının (TOF) 361dk-1
olduğu bildirilmiştir Bununla birlikte İGO-CuRu alaşım NPrsquolerinin (Cao et al 2014)
AB ile hidrolizinde TOF değeri 135dk-1
olarak bildirilmiştir Bu ve buna benzer
ccedilalışmalar bize bir soy metal ile ucuz olan Cursquonun bimetalik NPrsquolerinin hazırlanması ile
ABrsquonin hidrolizi iccedilin etkin ve ekonomik katalizoumlrler geliştirilebileceğini goumlstermektedir
Biz de bu motivasyon ve daha oumlnce bildirdiğimiz CoPd ve NiPd alaşım NPrsquolerinin
ABrsquonin hidrolizindeki aktivitelerini goumlz oumlnuumlne alarak bu tez ccedilalışmasında İGOrsquoya
desteklenmiş CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinliklerini
inceledik Bu tez ccedilalışması CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde test edilmesi
youmlnuumlnden literatuumlrde ilk oumlrnektir Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri
Cu(acac)2 ve Pd(acac)2 başlangıccedil metal tuzlarının OAm ve ODE iccedilerisinde 80degCrsquode eş
zamanlı indirgenmesi yolu ile sentezlendi Mevcut reccedilete ile CuPd NPrsquolerinin
kompozisyon kontrolluuml sentezi gerccedilekleştirildi ve CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı
kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25) sentezlendi CuPd alaşım NPrsquolerinin
sentezlenen uumlccedil farklı kompozisyonu İGOrsquoya desteklendi ve ABrsquonin hidrolizinde
katalizoumlr olarak test edildi Test edilen kompozisyonlar arasında en yuumlksek katalitik
3
etkinliği 131dk-1
ccedilevrim frekansı ile İGO-Cu75Pd25 goumlsterdi İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruumlnuumln katalitik etkinliği 400degCrsquode Ar-H2(5H2) gaz atmosferinde 1 saat
tavlama yolu ile 299dk-1
ccedilevrim frekansına artırıldı Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile
hidrolizindeki kinetiği katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak
ccedilalışılarak tepkimenin hız yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
4
2 KAYNAK OumlZETLERİ
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri
Periyodik cetvelin sol uumlst koumlşesinde yer alan hidrojenin ccedilekirdeğinde bir proton ve dış
youmlruumlngesinde bir elektron vardır En hafif element olarak bilinen hidrojenin atomik
kuumltlesi 100794gmolrsquoduumlr Standart sıcaklık ve basınccedil altında hidrojen renksiz kokusuz
tatsız metalik olmayan yoğunluğu havadan 144 kez daha hafif olan bir elementtir
Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz bileşikler halinde bulunur En ccedilok bilinen
bileşiği ise sudur Temiz enerji taşıyıcı olarak hidrojen kuumltle bazında yuumlksek bir spesifik
enerjiye sahiptir (oumlrneğin hidrojenin 95kg enerji iccedileriği benzinin 25kg enerjisine
eşdeğerdir) Hidrojen doğalgaz koumlmuumlr ağır hidrokarbonların gazlaştırılması buhar
reformasyonu suyun elektrolizi termokimyasal ayrışma gibi birccedilok teknikle ile elde
edilebilir (Momirlan and Veziroğlu 2005)
Bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin kullanılması CO2 emisyonlarını azaltmak iccedilin
uzun vadeli bir seccedilenektir Yenilenebilir enerji kaynaklarından uumlretilen hidrojen
gelecekteki enerji ihtiyacının buumlyuumlk boumlluumlmuumlnuuml karşılayıp ccedilevre kirliliğinin oumlnuumlne
geccedilecektir
Hidrojen petrokimya gıda mikroelektronik demir ve polimer sentezinde kimyasal
hammadde olarak kullanılan sistemlerde enerji taşıyıcı olarak avantajlı ve temiz
suumlrduumlruumllebilir enerji sistemlerinde kullanılmaktadır (Midilli et al 2005) Aynı zamanda
organik sentezlerde de yaygın olarak kullanılan bir indirgendir
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir Fakat doğada saf halde bulunmaz diğer
elementlerle bileşikler halinde bulunur
5
Bu yuumlzden hidrojenin uumlretimi iccedilin birccedilok metot bulunmaktadır Aşağıda hidrojen uumlretim
metodlarının en yaygın olanlarından kısaca bahsedilmektedir
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması
Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500degC sıcaklığa kadar olan suumlreccedil
piroliz safhası olup burada karbon gazlar ve katran elde edilir Yuumlksek sıcaklık ve
basınccedil uygulandığında karbon su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 uumlretilir
(Besancon et al 2009)
211b Buhar reformasyonu
Hidrojen uumlretimi iccedilin en yaygın olarak kullanılan youmlntemdir Reaksiyon yuumlksek basınccedil
ve sıcaklıkta Ni katalizoumlruuml eşliğinde gerccedilekleşir Endotermik bir reaksiyon olup ihtiyaccedil
duyulan enerjinin bir kısmı metan gazının yanması ile elde edilir (Kothari et al 2008)
211c Kvaerner youmlntemi
Bu teknik yuumlksek sıcaklıklarda hidrokarbonlardan elektrik akımı geccedilirilerek aktif
karbon ve hidrojen uumlretiminin gerccedilekleştirilmesi esasına dayanır Suumlreccedil sonunda CO2
oluşmaması diğer youmlntemlere goumlre bir avantaj sağlar Oluşan mevcut enerjinin yaklaşık
olarak 40rsquoını aktif karbon (AC) 48rsquoini hidrojen ve 10rsquonunu su buharı oluşturur
CH4 H2O CO +
CO H2O CO2 H2 +
CO 3H2 CH4 H2 +
3H2
CnH
m Enerji nC m2 H
2 + +
+
+
+
6
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu katalizoumlre ihtiyaccedil olmadan duumlşuumlk basınccedil altında
gerccedilekleşir Kısmi oksidasyon işleminin dezavantajı ise ortama CO2 ile birlikte aynı
zamanda CO gazı accedilığa ccedilıkarmasıdır Ccedilıkan CO gazıda elde edilen hidrojenin kullanım
alanını kısıtlamaktadır Ortalama verim 50 civarındadır (Dinccediler 2002)
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses
211e Suyun elektrolizi
Sudan elektrik akımı geccedilirerek su molekuumlllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını
sağlar Bu teknik hidrojen uumlretimi iccedilin bilinen en kolay youmlntemdir Hidrojen uumlretiminde
atmosfere herhangi bir kirletici gaz accedilığa ccedilıkarmadığından dolayı diğer youmlntemlere goumlre
avantajlı fakat fosil yakıtlara goumlre yuumlksek maliyetlidir (Acar and Dinccediler 2014) Ancak
elektroliz iccedilin gereken enerji yine fosil yakıtlardan sağlandığı iccedilin gelecekte yaygın
kullanımı konusunda şuumlpheler vardır
211f Suyun termal bozulması
Su buharının hidrojen ve oksijene ayrılması iccedilin ısının kullanıldığı bir metottur Basit
bir uygulamadır Suyun ccedilok yuumlksek sıcaklığa (3400K) ısıtılması ile doumlnuumlşuumlm gerccedilekleşir
(Dinccediler 2002)
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
i
OumlZET
Yuumlksek Lisans Tezi
AMONYAK BORANrsquoIN DEHİDROJENLENMESİ İCcedilİN OLDUKCcedilA AKTİF VE
EKONOMİK BİR KATALİZOumlR OLARAK İNDİRGENMİŞ GRAFEN OKSİTE
DESTEKLENMİŞ Cu3Pd ALAŞIM NANOPARTİKUumlLLERİ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ
Atatuumlrk Uumlniversitesi
Fen Bilimleri Enstituumlsuuml
Kimya Anabilim Dalı
Anorganik Kimya Bilim Dalı
Danışman Doccedil Dr Oumlnder METİN
Bu tez ccedilalışmasında tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım nanopartikuumlllerinin (NP)
kompozisyon kontrolluuml sentezi yapısal tanımlanmaları ve indirgenmiş grafen oksite
(İGO) desteklendikten sonra amonyak boranın (AB) hidrolitik dehidrojenlenmesinde
katalitik etkinliği incelendi Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri
paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2) ve bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2) başlangıccedil
metal tuzlarının oleyilamin (OAm) ve 1-oktadesen (ODE) iccedilerisinde morfolin-boran
(MB) ile 80degCrsquode eş-zamanlı indirgenmesi yoluyla sentezlendi CuPd alaşım NPrsquoleri
iccedilin oluşturulan reccedilete komposizyon kontroluumlne izin vermektedir CuPd alaşım NPrsquoleri
27nm Cu30Pd70 29nm Cu48Pd52 ve 30nm Cu75Pd25 olarak uumlccedil farklı komposizyon da
sentezlendi ve İGOrsquoya desteklenen bu kompozisyonlardan ABrsquonin hidrolitik
dehidrojenasyonu iccedilin en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri goumlsterdi
Daha sonra test edilen farklı destek malzemeleri arasında Cu75Pd25 NPrsquolerin ABrsquonin
hidrolitik dehidrojenasyonu iccedilin en yuumlksek katalitik etkinliği İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri goumlsterdi Ayrıca İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml Ar-H2 (5H2) gazı atmosferinde
400oCrsquode 1 saat tavlama işlemi yapılarak oda sıcaklığında ABrsquonin hidrolizinde ccedilevrim
sayısı (TOF) 131dk-1
rsquoden 299dk-1
rsquoa artırıldı İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerinin sağladığı bu
TOF değeri literatuumlrde mevcut monometalik İGO-Cu (TOF=361dk-1
) ve İGO-Pdrsquodan
(TOF=266dk-1
) daha yuumlksektir Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile hidrolizindeki kinetiği
katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışılarak tepkimenin hız
yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
2015 58 Sayfa
Anahtar Kelimeler CuPd alaşım nanopartikuumll indirgenmiş grafen oksit
kompozisyon kontrol heterojen katalizoumlr dehidrojenlenme amonyak boran
ii
ABSTRACT
Master Thesis
Cu3Pd ALLOY NANOPARTICLES SUPPORTED ON REDUCED GRAPHENE
OXIDE AS ACTIVE AND ECONOMICAL CATALYSTS FOR THE
HYDROLYTIC DEHYDROGENATION OF AMMONIA BORANE
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ
Ataturk University
Graduate School of Natural and Applied Sciences
Department of Chemistry
Inorganic Chemistry Department
Supervisor Assoc Prof Dr Oumlnder METİN
In this thesis study the composition-controlled synthesis and catalysis of CuPd alloy
nanoparticles (NPs) supported on reduced graphene oxide (RGO) in the hydrolytic
dehydrogenation of ammonia borane (AB) were studied Nearly monodisperse CuPd
alloy NPs were synthesized by using a surfactant-assisted organic solution phase
protocol comprising the co-reduction of copper(II) acetylacetonate and palladium(II)
acetylacetonate precursors by morpholine-borane complex (MB) in oleylamine and 1-
octadecene at 80degC The presented recipe allowed us to make a composition control
over the CuPd alloy NPs Three different compositions of CuPd alloy NPs (27nm
Cu30Pd70 29nm Cu48Pd52 and 30nm Cu75Pd25) could be prepared among which the
Cu75Pd25 NPs showed the best catalytic performance in hydrogen generation from the
hydrolysis of AB Among the various support materials tested for as-prepared Cu75Pd25
alloy NPs the RGO-Cu75Pd25 catalysts showed the highest performance in the
hydrolysis of AB Moreover the activity of the RGO-Cu75Pd25 catalysts were
dramatically enhanced by annealing them at 400degC for 1h under Ar-H2 (5H2) gas flow
and an unprecedented TOF value of 299min-1
was obtained in the hydrolysis of AB at
room temperature The reported TOF value here is much higher than the ones for RGO-
Cu (TOF=361min-1
) and RGO-Pd catalysts (TOF=266min-1
) The detailed kinetics of
RGO-Cu75Pd25 catalyzed AB hydrolysis was also studied depending on catalyst
concentration substrate concentration and temperature
2015 58 Pages
Keywords CuPd alloy nanoparticles reduced graphene oxide composition control
heterogeneous catalysis dehydrogenation ammonia borane
iii
TEŞEKKUumlR
Yuumlksek lisans tezi olarak sunduğum bu ccedilalışma Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi
Kimya Boumlluumlmuumlnde Tuumlrkiye Bilimler Akademisi Uumlstuumln Başarılı Genccedil Bilim İnsanı
Programı (TUumlBA-GEBİP) kapsamında gerccedilekleştirilmiştir
Bu tezin gerccedilekleştirilmesinde bilgi birikimlerinden faydalandığım yanında
ccedilalışmaktan onur duyduğum tecruumlbelerinden yararlanırken goumlstermiş olduğu
hoşgoumlruumlden ve sabrından dolayı değerli danışman hocam Sayın Doccedil Dr Oumlnder
METİNrsquoe teşekkuumlr ederim
Anorganik kimya araştırma grubu arkadaşlarım Sayın Arş Goumlr Melike SEVİM
Suumlmeyra DİYARBAKIR Hasan CAN N Sedanur CcedilİFTCİ Guumllşah CcedilELİKDAĞ ve
Katip KORKMAZrsquoa tez ccedilalışmalarım suumlresince yanımda oldukları iccedilin teşekkuumlr ederim
Beni buumlyuumlk fedakacircrlıklar ile buguumlne getiren desteklerini benden hiccedil esirgemeyen
annem Pervin ve babam Cemil GUumlNGOumlRMEZ başta olmak uumlzere kardeşlerim Buumlşra ve
Berrarsquoya daima yanımda olduklarını hissettiren ablam Pelin GUumlNGOumlRMEZ KAKŞA
ve eniştem Mustafa KAKŞArsquoya teşekkuumlr ederim
Beni yetiştiren Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlne ve tuumlm hocalarıma teşekkuumlr ederim
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ
Ocak 2015
iv
İCcedilİNDEKİLER
OumlZET i
ABSTRACT ii
TEŞEKKUumlR iii
SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ vi
ŞEKİLLER DİZİNİ viii
CcedilİZELGELER DİZİNİ xi
1 GİRİŞ 1
2 KAYNAK OumlZETLERİ 4
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri 4
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri 4
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması 5
211b Buhar reformasyonu 5
211c Kvaerner youmlntemi 5
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu 6
211e Suyun elektrolizi 6
211f Suyun termal bozulması 6
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi 7
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi 7
212 Hidrojen Ekonomisi 7
213 Hidrojen Depolama 8
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri 8
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri 9
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri 11
214a Termoliz 12
214b Dehidrojenlenme 12
214c Solvoliz 12
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri 13
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri 14
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu) 14
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu) 15
v
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml 17
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması 17
223a Sterik kararlılaştırma 17
223b Elektrostatik kararlılaştırma 18
223c Elektrostatik denge 18
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri 19
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması 21
23 Katalizoumlr 22
231 Homojen katalizoumlrler 24
232 Heterojen katalizoumlrler 24
24 Grafen 26
241 Grafenin kullanım alanları 28
3 MATERYAL ve YOumlNTEM 29
31 Kimyasallar 29
32 Cihazlar 29
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi 30
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi 31
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi 34
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı 35
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği 36
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml 37
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA 38
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması 38
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları 45
5 SONUCcedilLAR 51
KAYNAKLAR 53
EKLER 58
EK 1 58
OumlZGECcedilMİŞ 59
vi
SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ
Ar-H2 Argon-Hidrojen
C60 Fulleren
CO Karbonmonoksit
CO2 Karbondioksit
CoPd Kobalt Paladyum
Cu Bakır
Cu(acac)2 Bakır(II) asetilasetonat
CuRu Bakır Rutenyum
Ea Aktivasyon Enerjisi
K Kelvin
Kgoumlzlenen Goumlzlenen Hız Sabiti
nano-Al2O3 Aluumlminyum Oksit
NiPd Nikel Paladyum
Pd Paladyum
Pd(acac)2 Paladyum(II) asetilasetonat
PtRu Platin Rutenyum
Kısaltmalar
AB Amonyak Boran
AC Aktif karbon
11B-NMR Bor Nuumlkleer Manyetik Rezonans
DMF NN Dimetilformamid
ICP-MS Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer (İnduumlktif Eşleşmiş
Plazma Optik Emisyon Spektrometresi)
İGO İndirgenmiş grafen oksit
İGO-CuPd İndirgenmiş grafen oksite destekli bakır paladyum nanopartikuumllleri
MB Morfolin boran
nm Nanometre
vii
NP Nanopartikuumll
OAm Oleyilamin
ODE Oktadesen
PVP Poli (N-vinil-2-pirolidon)
TEM Transmission Electron Microscopy (Geccedilirimli Elektron Mikroskopu)
TOF Turnover Frequency (Ccedilevrim Frekansı)
TON Turnover Number (Ccedilevrim sayısı)
TTON Total Turnover Number (Toplam Ccedilevrim sayısı)
XRD X-ray Diffruction (X ışınları kırınımı spektroskopisi)
viii
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses 6
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi 7
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr 9
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce
iccedilerdikleri hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması 11
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı 11
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi 13
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri 14
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim 15
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi 16
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP
oluşumu 17
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik
etkileşimi goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak
kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi 18
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması 19
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler 20
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar 21
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması 22
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi 24
Şekil 217 Grafen yapısı 26
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi 27
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi 30
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması 31
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması 32
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı 33
ix
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı
akışında tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi 35
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini
oumllccedilmeyi sağlayan sistem 36
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri 38
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri 39
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25
NPrsquolerin TEM goumlruumlntuumlleri 40
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25
NPrsquolerine ait XRD desenleri 41
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise
başlangıccedil TOF değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini
goumlsterir 42
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 43
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz
karışımı altında 400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen
yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 44
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml 45
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin
25plusmn05degCrsquode gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen
gazının mol miktarının zamana karşı grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı
ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir 46
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının
mol miktarının zaman karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB]
grafiğini goumlstermektedir 47
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM
ABrsquonin hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının
zamana karşı grafiği 48
x
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği 49
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin
zamana karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği 50
xi
CcedilİZELGELER DİZİNİ
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması 25
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri
ve elde edilen TOF değerleri 52
1
1 GİRİŞ
Duumlnya enerji ihtiyacının buumlyuumlk bir kısmını fosil yakıtlardan karşılamaktadır Fosil
yakıtların yoğun bir şekilde kullanılması sonucu atmosfere salınan başta CO2 olmak
uumlzere zararlı sera gazları hava kirliliğine ve kuumlresel ısınmaya sebep olmaktadır Hava
kirliliğini ve kuumlresel ısınmayı oumlnlemek amacıyla fosil yakıtlara alternatif olarak ruumlzgar
ve guumlneş enerjisi başta olmak uumlzere yenilenebilir enerji kaynakları uumlzerine
ccedilalışılmaktadır Ancak bu yenilenebilir enerji kaynaklarında en buumlyuumlk sorun suumlreksiz
olmaları ve kurulum maliyetlerinin yuumlksek olmasıdır Bu nedenle yenilenebilir enerji
kaynaklarına alternatif olarak hidrojenin enerji taşıyıcı olarak kullanılması avantajlıdır
Temiz bir enerji taşıyıcısı olan hidrojen son zamanlardaki bilimsel ve teknolojik
gelişmeler sayesinde guumlnluumlk uygulamalarda yerini almıştır Taşınabilir yakıt huumlcresi
teknolojilerinin yanı sıra ccedileşitli otomobil şirketleri 2015 yılında satış iccedilin hidrojen
yakıtlı araccedilların uumlretimini accedilıklamışlardır (Laird 2014) Hidrojen duumlnya ccedilapında gelecek
iccedilin enerji sorunlarının ccediloumlzuumlmuuml olarak kabul edilmektedir (Stetson 2013)
Hidrojen ekonomisinde son yıllarda meydana gelen oumlnemli gelişmelere rağmen halen
hidrojenin guumlnluumlk kullanımına youmlnelik oumlnemli teknolojik ve ekonomik engeller
bulunmaktadır (Stetson 2013) Buguumlne kadar ccedilok sayıda depolama teknikleri
geliştirilmiş olmasına rağmen hidrojenin guumlvenli depolanması ve kontrolluuml bir şekilde
salıverilmesi suumlregelen ccediloumlzuumllememiş sorunlar arasında en oumlnemlisidir Depolama
sorununa ccediloumlzuumlm olarak hidrojeni katı fazda kimyasal bileşik halinde depolama en ccedilok
incelenen teknolojilerden biridir AB kompleksi (H3NBH3) şimdiye kadar test edilen
kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında gravimetrik ve hacimsel olarak en
yuumlksek hidrojen iccedileriğine sahiptir Duumlşuumlk molekuumll ağırlığı zehirsiz olması ve ccediloumlzelti
iccedilerisinde kararlı olarak bulunması ABrsquonin diğer depolama malzemelerine goumlre
avantajlarıdır (Stephens et al 2007) AB uygun katalizoumlr varlığında hidroliz yolu ile oda
sıcaklığında tuumlm hidrojenini kolayca salıveririr Aşağıda ABrsquonin hidroliz tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
)(3H)()BONH()( O2H)(NBHH 224233 gsulussuluKatalizoumlr
2
Buguumlne kadar ccedileşitli katalizoumlrler ABrsquonin hidroliziyle test edilmiştir AB hidrolizinde en
yuumlksek hidrojen gazı salınımını soy metaller (Pt Ru Rh Pd) ya da bu metallerin
bimetalik formundaki katalizoumlrler goumlstermiştir Soy metaller arasında Pd diğerlerine
goumlre daha ucuz olması ve ABrsquonin dehidrojenlenmesinde umut vaat eden aktivitesi ile en
iyi seccedilenek olarak kabul edilmektedir
Diğer taraftan birinci sıra geccediliş metalleri (Fe Co Ni Cu) varlığında Pdrsquonin bimetalik
NPrsquolerinin hazırlanmasıyla daha ekonomik ve daha aktif Pd katalizoumlrlerin sentezi
gerccedilekleştirilir Literatuumlrde karbon destekli CoPd (Sun et al 2011) ve İGO destekli
NiPd alaşım NPrsquolerinin (Ccediliftci and Metin 2014) ABrsquonin hidrolitik
dehidrojenlenmesinde yuumlksek katalitik etkinliğe sahip katalizoumlrler oldukları grubumuz
tarafından bildirildi Ancak ABrsquonin dehidrojenlenmesi uumlzerine detaylı bir literatuumlr
taraması yapıldığında Cu esaslı katalizoumlrlerin ABrsquonin hidrolizinde sınırlı sayıda
ccedilalışılmış olduğu ve aktivitelerinin duumlşuumlk olduğu goumlruumllmektedir Oumlrneğin İGO-Cu
katalizoumlruuml (Yang et al 2014) ABrsquonin hidrolizindeki ccedilevrim frekansının (TOF) 361dk-1
olduğu bildirilmiştir Bununla birlikte İGO-CuRu alaşım NPrsquolerinin (Cao et al 2014)
AB ile hidrolizinde TOF değeri 135dk-1
olarak bildirilmiştir Bu ve buna benzer
ccedilalışmalar bize bir soy metal ile ucuz olan Cursquonun bimetalik NPrsquolerinin hazırlanması ile
ABrsquonin hidrolizi iccedilin etkin ve ekonomik katalizoumlrler geliştirilebileceğini goumlstermektedir
Biz de bu motivasyon ve daha oumlnce bildirdiğimiz CoPd ve NiPd alaşım NPrsquolerinin
ABrsquonin hidrolizindeki aktivitelerini goumlz oumlnuumlne alarak bu tez ccedilalışmasında İGOrsquoya
desteklenmiş CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinliklerini
inceledik Bu tez ccedilalışması CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde test edilmesi
youmlnuumlnden literatuumlrde ilk oumlrnektir Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri
Cu(acac)2 ve Pd(acac)2 başlangıccedil metal tuzlarının OAm ve ODE iccedilerisinde 80degCrsquode eş
zamanlı indirgenmesi yolu ile sentezlendi Mevcut reccedilete ile CuPd NPrsquolerinin
kompozisyon kontrolluuml sentezi gerccedilekleştirildi ve CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı
kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25) sentezlendi CuPd alaşım NPrsquolerinin
sentezlenen uumlccedil farklı kompozisyonu İGOrsquoya desteklendi ve ABrsquonin hidrolizinde
katalizoumlr olarak test edildi Test edilen kompozisyonlar arasında en yuumlksek katalitik
3
etkinliği 131dk-1
ccedilevrim frekansı ile İGO-Cu75Pd25 goumlsterdi İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruumlnuumln katalitik etkinliği 400degCrsquode Ar-H2(5H2) gaz atmosferinde 1 saat
tavlama yolu ile 299dk-1
ccedilevrim frekansına artırıldı Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile
hidrolizindeki kinetiği katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak
ccedilalışılarak tepkimenin hız yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
4
2 KAYNAK OumlZETLERİ
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri
Periyodik cetvelin sol uumlst koumlşesinde yer alan hidrojenin ccedilekirdeğinde bir proton ve dış
youmlruumlngesinde bir elektron vardır En hafif element olarak bilinen hidrojenin atomik
kuumltlesi 100794gmolrsquoduumlr Standart sıcaklık ve basınccedil altında hidrojen renksiz kokusuz
tatsız metalik olmayan yoğunluğu havadan 144 kez daha hafif olan bir elementtir
Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz bileşikler halinde bulunur En ccedilok bilinen
bileşiği ise sudur Temiz enerji taşıyıcı olarak hidrojen kuumltle bazında yuumlksek bir spesifik
enerjiye sahiptir (oumlrneğin hidrojenin 95kg enerji iccedileriği benzinin 25kg enerjisine
eşdeğerdir) Hidrojen doğalgaz koumlmuumlr ağır hidrokarbonların gazlaştırılması buhar
reformasyonu suyun elektrolizi termokimyasal ayrışma gibi birccedilok teknikle ile elde
edilebilir (Momirlan and Veziroğlu 2005)
Bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin kullanılması CO2 emisyonlarını azaltmak iccedilin
uzun vadeli bir seccedilenektir Yenilenebilir enerji kaynaklarından uumlretilen hidrojen
gelecekteki enerji ihtiyacının buumlyuumlk boumlluumlmuumlnuuml karşılayıp ccedilevre kirliliğinin oumlnuumlne
geccedilecektir
Hidrojen petrokimya gıda mikroelektronik demir ve polimer sentezinde kimyasal
hammadde olarak kullanılan sistemlerde enerji taşıyıcı olarak avantajlı ve temiz
suumlrduumlruumllebilir enerji sistemlerinde kullanılmaktadır (Midilli et al 2005) Aynı zamanda
organik sentezlerde de yaygın olarak kullanılan bir indirgendir
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir Fakat doğada saf halde bulunmaz diğer
elementlerle bileşikler halinde bulunur
5
Bu yuumlzden hidrojenin uumlretimi iccedilin birccedilok metot bulunmaktadır Aşağıda hidrojen uumlretim
metodlarının en yaygın olanlarından kısaca bahsedilmektedir
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması
Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500degC sıcaklığa kadar olan suumlreccedil
piroliz safhası olup burada karbon gazlar ve katran elde edilir Yuumlksek sıcaklık ve
basınccedil uygulandığında karbon su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 uumlretilir
(Besancon et al 2009)
211b Buhar reformasyonu
Hidrojen uumlretimi iccedilin en yaygın olarak kullanılan youmlntemdir Reaksiyon yuumlksek basınccedil
ve sıcaklıkta Ni katalizoumlruuml eşliğinde gerccedilekleşir Endotermik bir reaksiyon olup ihtiyaccedil
duyulan enerjinin bir kısmı metan gazının yanması ile elde edilir (Kothari et al 2008)
211c Kvaerner youmlntemi
Bu teknik yuumlksek sıcaklıklarda hidrokarbonlardan elektrik akımı geccedilirilerek aktif
karbon ve hidrojen uumlretiminin gerccedilekleştirilmesi esasına dayanır Suumlreccedil sonunda CO2
oluşmaması diğer youmlntemlere goumlre bir avantaj sağlar Oluşan mevcut enerjinin yaklaşık
olarak 40rsquoını aktif karbon (AC) 48rsquoini hidrojen ve 10rsquonunu su buharı oluşturur
CH4 H2O CO +
CO H2O CO2 H2 +
CO 3H2 CH4 H2 +
3H2
CnH
m Enerji nC m2 H
2 + +
+
+
+
6
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu katalizoumlre ihtiyaccedil olmadan duumlşuumlk basınccedil altında
gerccedilekleşir Kısmi oksidasyon işleminin dezavantajı ise ortama CO2 ile birlikte aynı
zamanda CO gazı accedilığa ccedilıkarmasıdır Ccedilıkan CO gazıda elde edilen hidrojenin kullanım
alanını kısıtlamaktadır Ortalama verim 50 civarındadır (Dinccediler 2002)
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses
211e Suyun elektrolizi
Sudan elektrik akımı geccedilirerek su molekuumlllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını
sağlar Bu teknik hidrojen uumlretimi iccedilin bilinen en kolay youmlntemdir Hidrojen uumlretiminde
atmosfere herhangi bir kirletici gaz accedilığa ccedilıkarmadığından dolayı diğer youmlntemlere goumlre
avantajlı fakat fosil yakıtlara goumlre yuumlksek maliyetlidir (Acar and Dinccediler 2014) Ancak
elektroliz iccedilin gereken enerji yine fosil yakıtlardan sağlandığı iccedilin gelecekte yaygın
kullanımı konusunda şuumlpheler vardır
211f Suyun termal bozulması
Su buharının hidrojen ve oksijene ayrılması iccedilin ısının kullanıldığı bir metottur Basit
bir uygulamadır Suyun ccedilok yuumlksek sıcaklığa (3400K) ısıtılması ile doumlnuumlşuumlm gerccedilekleşir
(Dinccediler 2002)
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
ii
ABSTRACT
Master Thesis
Cu3Pd ALLOY NANOPARTICLES SUPPORTED ON REDUCED GRAPHENE
OXIDE AS ACTIVE AND ECONOMICAL CATALYSTS FOR THE
HYDROLYTIC DEHYDROGENATION OF AMMONIA BORANE
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ
Ataturk University
Graduate School of Natural and Applied Sciences
Department of Chemistry
Inorganic Chemistry Department
Supervisor Assoc Prof Dr Oumlnder METİN
In this thesis study the composition-controlled synthesis and catalysis of CuPd alloy
nanoparticles (NPs) supported on reduced graphene oxide (RGO) in the hydrolytic
dehydrogenation of ammonia borane (AB) were studied Nearly monodisperse CuPd
alloy NPs were synthesized by using a surfactant-assisted organic solution phase
protocol comprising the co-reduction of copper(II) acetylacetonate and palladium(II)
acetylacetonate precursors by morpholine-borane complex (MB) in oleylamine and 1-
octadecene at 80degC The presented recipe allowed us to make a composition control
over the CuPd alloy NPs Three different compositions of CuPd alloy NPs (27nm
Cu30Pd70 29nm Cu48Pd52 and 30nm Cu75Pd25) could be prepared among which the
Cu75Pd25 NPs showed the best catalytic performance in hydrogen generation from the
hydrolysis of AB Among the various support materials tested for as-prepared Cu75Pd25
alloy NPs the RGO-Cu75Pd25 catalysts showed the highest performance in the
hydrolysis of AB Moreover the activity of the RGO-Cu75Pd25 catalysts were
dramatically enhanced by annealing them at 400degC for 1h under Ar-H2 (5H2) gas flow
and an unprecedented TOF value of 299min-1
was obtained in the hydrolysis of AB at
room temperature The reported TOF value here is much higher than the ones for RGO-
Cu (TOF=361min-1
) and RGO-Pd catalysts (TOF=266min-1
) The detailed kinetics of
RGO-Cu75Pd25 catalyzed AB hydrolysis was also studied depending on catalyst
concentration substrate concentration and temperature
2015 58 Pages
Keywords CuPd alloy nanoparticles reduced graphene oxide composition control
heterogeneous catalysis dehydrogenation ammonia borane
iii
TEŞEKKUumlR
Yuumlksek lisans tezi olarak sunduğum bu ccedilalışma Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi
Kimya Boumlluumlmuumlnde Tuumlrkiye Bilimler Akademisi Uumlstuumln Başarılı Genccedil Bilim İnsanı
Programı (TUumlBA-GEBİP) kapsamında gerccedilekleştirilmiştir
Bu tezin gerccedilekleştirilmesinde bilgi birikimlerinden faydalandığım yanında
ccedilalışmaktan onur duyduğum tecruumlbelerinden yararlanırken goumlstermiş olduğu
hoşgoumlruumlden ve sabrından dolayı değerli danışman hocam Sayın Doccedil Dr Oumlnder
METİNrsquoe teşekkuumlr ederim
Anorganik kimya araştırma grubu arkadaşlarım Sayın Arş Goumlr Melike SEVİM
Suumlmeyra DİYARBAKIR Hasan CAN N Sedanur CcedilİFTCİ Guumllşah CcedilELİKDAĞ ve
Katip KORKMAZrsquoa tez ccedilalışmalarım suumlresince yanımda oldukları iccedilin teşekkuumlr ederim
Beni buumlyuumlk fedakacircrlıklar ile buguumlne getiren desteklerini benden hiccedil esirgemeyen
annem Pervin ve babam Cemil GUumlNGOumlRMEZ başta olmak uumlzere kardeşlerim Buumlşra ve
Berrarsquoya daima yanımda olduklarını hissettiren ablam Pelin GUumlNGOumlRMEZ KAKŞA
ve eniştem Mustafa KAKŞArsquoya teşekkuumlr ederim
Beni yetiştiren Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlne ve tuumlm hocalarıma teşekkuumlr ederim
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ
Ocak 2015
iv
İCcedilİNDEKİLER
OumlZET i
ABSTRACT ii
TEŞEKKUumlR iii
SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ vi
ŞEKİLLER DİZİNİ viii
CcedilİZELGELER DİZİNİ xi
1 GİRİŞ 1
2 KAYNAK OumlZETLERİ 4
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri 4
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri 4
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması 5
211b Buhar reformasyonu 5
211c Kvaerner youmlntemi 5
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu 6
211e Suyun elektrolizi 6
211f Suyun termal bozulması 6
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi 7
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi 7
212 Hidrojen Ekonomisi 7
213 Hidrojen Depolama 8
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri 8
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri 9
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri 11
214a Termoliz 12
214b Dehidrojenlenme 12
214c Solvoliz 12
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri 13
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri 14
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu) 14
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu) 15
v
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml 17
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması 17
223a Sterik kararlılaştırma 17
223b Elektrostatik kararlılaştırma 18
223c Elektrostatik denge 18
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri 19
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması 21
23 Katalizoumlr 22
231 Homojen katalizoumlrler 24
232 Heterojen katalizoumlrler 24
24 Grafen 26
241 Grafenin kullanım alanları 28
3 MATERYAL ve YOumlNTEM 29
31 Kimyasallar 29
32 Cihazlar 29
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi 30
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi 31
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi 34
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı 35
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği 36
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml 37
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA 38
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması 38
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları 45
5 SONUCcedilLAR 51
KAYNAKLAR 53
EKLER 58
EK 1 58
OumlZGECcedilMİŞ 59
vi
SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ
Ar-H2 Argon-Hidrojen
C60 Fulleren
CO Karbonmonoksit
CO2 Karbondioksit
CoPd Kobalt Paladyum
Cu Bakır
Cu(acac)2 Bakır(II) asetilasetonat
CuRu Bakır Rutenyum
Ea Aktivasyon Enerjisi
K Kelvin
Kgoumlzlenen Goumlzlenen Hız Sabiti
nano-Al2O3 Aluumlminyum Oksit
NiPd Nikel Paladyum
Pd Paladyum
Pd(acac)2 Paladyum(II) asetilasetonat
PtRu Platin Rutenyum
Kısaltmalar
AB Amonyak Boran
AC Aktif karbon
11B-NMR Bor Nuumlkleer Manyetik Rezonans
DMF NN Dimetilformamid
ICP-MS Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer (İnduumlktif Eşleşmiş
Plazma Optik Emisyon Spektrometresi)
İGO İndirgenmiş grafen oksit
İGO-CuPd İndirgenmiş grafen oksite destekli bakır paladyum nanopartikuumllleri
MB Morfolin boran
nm Nanometre
vii
NP Nanopartikuumll
OAm Oleyilamin
ODE Oktadesen
PVP Poli (N-vinil-2-pirolidon)
TEM Transmission Electron Microscopy (Geccedilirimli Elektron Mikroskopu)
TOF Turnover Frequency (Ccedilevrim Frekansı)
TON Turnover Number (Ccedilevrim sayısı)
TTON Total Turnover Number (Toplam Ccedilevrim sayısı)
XRD X-ray Diffruction (X ışınları kırınımı spektroskopisi)
viii
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses 6
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi 7
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr 9
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce
iccedilerdikleri hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması 11
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı 11
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi 13
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri 14
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim 15
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi 16
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP
oluşumu 17
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik
etkileşimi goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak
kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi 18
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması 19
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler 20
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar 21
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması 22
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi 24
Şekil 217 Grafen yapısı 26
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi 27
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi 30
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması 31
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması 32
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı 33
ix
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı
akışında tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi 35
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini
oumllccedilmeyi sağlayan sistem 36
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri 38
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri 39
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25
NPrsquolerin TEM goumlruumlntuumlleri 40
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25
NPrsquolerine ait XRD desenleri 41
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise
başlangıccedil TOF değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini
goumlsterir 42
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 43
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz
karışımı altında 400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen
yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 44
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml 45
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin
25plusmn05degCrsquode gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen
gazının mol miktarının zamana karşı grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı
ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir 46
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının
mol miktarının zaman karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB]
grafiğini goumlstermektedir 47
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM
ABrsquonin hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının
zamana karşı grafiği 48
x
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği 49
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin
zamana karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği 50
xi
CcedilİZELGELER DİZİNİ
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması 25
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri
ve elde edilen TOF değerleri 52
1
1 GİRİŞ
Duumlnya enerji ihtiyacının buumlyuumlk bir kısmını fosil yakıtlardan karşılamaktadır Fosil
yakıtların yoğun bir şekilde kullanılması sonucu atmosfere salınan başta CO2 olmak
uumlzere zararlı sera gazları hava kirliliğine ve kuumlresel ısınmaya sebep olmaktadır Hava
kirliliğini ve kuumlresel ısınmayı oumlnlemek amacıyla fosil yakıtlara alternatif olarak ruumlzgar
ve guumlneş enerjisi başta olmak uumlzere yenilenebilir enerji kaynakları uumlzerine
ccedilalışılmaktadır Ancak bu yenilenebilir enerji kaynaklarında en buumlyuumlk sorun suumlreksiz
olmaları ve kurulum maliyetlerinin yuumlksek olmasıdır Bu nedenle yenilenebilir enerji
kaynaklarına alternatif olarak hidrojenin enerji taşıyıcı olarak kullanılması avantajlıdır
Temiz bir enerji taşıyıcısı olan hidrojen son zamanlardaki bilimsel ve teknolojik
gelişmeler sayesinde guumlnluumlk uygulamalarda yerini almıştır Taşınabilir yakıt huumlcresi
teknolojilerinin yanı sıra ccedileşitli otomobil şirketleri 2015 yılında satış iccedilin hidrojen
yakıtlı araccedilların uumlretimini accedilıklamışlardır (Laird 2014) Hidrojen duumlnya ccedilapında gelecek
iccedilin enerji sorunlarının ccediloumlzuumlmuuml olarak kabul edilmektedir (Stetson 2013)
Hidrojen ekonomisinde son yıllarda meydana gelen oumlnemli gelişmelere rağmen halen
hidrojenin guumlnluumlk kullanımına youmlnelik oumlnemli teknolojik ve ekonomik engeller
bulunmaktadır (Stetson 2013) Buguumlne kadar ccedilok sayıda depolama teknikleri
geliştirilmiş olmasına rağmen hidrojenin guumlvenli depolanması ve kontrolluuml bir şekilde
salıverilmesi suumlregelen ccediloumlzuumllememiş sorunlar arasında en oumlnemlisidir Depolama
sorununa ccediloumlzuumlm olarak hidrojeni katı fazda kimyasal bileşik halinde depolama en ccedilok
incelenen teknolojilerden biridir AB kompleksi (H3NBH3) şimdiye kadar test edilen
kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında gravimetrik ve hacimsel olarak en
yuumlksek hidrojen iccedileriğine sahiptir Duumlşuumlk molekuumll ağırlığı zehirsiz olması ve ccediloumlzelti
iccedilerisinde kararlı olarak bulunması ABrsquonin diğer depolama malzemelerine goumlre
avantajlarıdır (Stephens et al 2007) AB uygun katalizoumlr varlığında hidroliz yolu ile oda
sıcaklığında tuumlm hidrojenini kolayca salıveririr Aşağıda ABrsquonin hidroliz tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
)(3H)()BONH()( O2H)(NBHH 224233 gsulussuluKatalizoumlr
2
Buguumlne kadar ccedileşitli katalizoumlrler ABrsquonin hidroliziyle test edilmiştir AB hidrolizinde en
yuumlksek hidrojen gazı salınımını soy metaller (Pt Ru Rh Pd) ya da bu metallerin
bimetalik formundaki katalizoumlrler goumlstermiştir Soy metaller arasında Pd diğerlerine
goumlre daha ucuz olması ve ABrsquonin dehidrojenlenmesinde umut vaat eden aktivitesi ile en
iyi seccedilenek olarak kabul edilmektedir
Diğer taraftan birinci sıra geccediliş metalleri (Fe Co Ni Cu) varlığında Pdrsquonin bimetalik
NPrsquolerinin hazırlanmasıyla daha ekonomik ve daha aktif Pd katalizoumlrlerin sentezi
gerccedilekleştirilir Literatuumlrde karbon destekli CoPd (Sun et al 2011) ve İGO destekli
NiPd alaşım NPrsquolerinin (Ccediliftci and Metin 2014) ABrsquonin hidrolitik
dehidrojenlenmesinde yuumlksek katalitik etkinliğe sahip katalizoumlrler oldukları grubumuz
tarafından bildirildi Ancak ABrsquonin dehidrojenlenmesi uumlzerine detaylı bir literatuumlr
taraması yapıldığında Cu esaslı katalizoumlrlerin ABrsquonin hidrolizinde sınırlı sayıda
ccedilalışılmış olduğu ve aktivitelerinin duumlşuumlk olduğu goumlruumllmektedir Oumlrneğin İGO-Cu
katalizoumlruuml (Yang et al 2014) ABrsquonin hidrolizindeki ccedilevrim frekansının (TOF) 361dk-1
olduğu bildirilmiştir Bununla birlikte İGO-CuRu alaşım NPrsquolerinin (Cao et al 2014)
AB ile hidrolizinde TOF değeri 135dk-1
olarak bildirilmiştir Bu ve buna benzer
ccedilalışmalar bize bir soy metal ile ucuz olan Cursquonun bimetalik NPrsquolerinin hazırlanması ile
ABrsquonin hidrolizi iccedilin etkin ve ekonomik katalizoumlrler geliştirilebileceğini goumlstermektedir
Biz de bu motivasyon ve daha oumlnce bildirdiğimiz CoPd ve NiPd alaşım NPrsquolerinin
ABrsquonin hidrolizindeki aktivitelerini goumlz oumlnuumlne alarak bu tez ccedilalışmasında İGOrsquoya
desteklenmiş CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinliklerini
inceledik Bu tez ccedilalışması CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde test edilmesi
youmlnuumlnden literatuumlrde ilk oumlrnektir Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri
Cu(acac)2 ve Pd(acac)2 başlangıccedil metal tuzlarının OAm ve ODE iccedilerisinde 80degCrsquode eş
zamanlı indirgenmesi yolu ile sentezlendi Mevcut reccedilete ile CuPd NPrsquolerinin
kompozisyon kontrolluuml sentezi gerccedilekleştirildi ve CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı
kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25) sentezlendi CuPd alaşım NPrsquolerinin
sentezlenen uumlccedil farklı kompozisyonu İGOrsquoya desteklendi ve ABrsquonin hidrolizinde
katalizoumlr olarak test edildi Test edilen kompozisyonlar arasında en yuumlksek katalitik
3
etkinliği 131dk-1
ccedilevrim frekansı ile İGO-Cu75Pd25 goumlsterdi İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruumlnuumln katalitik etkinliği 400degCrsquode Ar-H2(5H2) gaz atmosferinde 1 saat
tavlama yolu ile 299dk-1
ccedilevrim frekansına artırıldı Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile
hidrolizindeki kinetiği katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak
ccedilalışılarak tepkimenin hız yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
4
2 KAYNAK OumlZETLERİ
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri
Periyodik cetvelin sol uumlst koumlşesinde yer alan hidrojenin ccedilekirdeğinde bir proton ve dış
youmlruumlngesinde bir elektron vardır En hafif element olarak bilinen hidrojenin atomik
kuumltlesi 100794gmolrsquoduumlr Standart sıcaklık ve basınccedil altında hidrojen renksiz kokusuz
tatsız metalik olmayan yoğunluğu havadan 144 kez daha hafif olan bir elementtir
Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz bileşikler halinde bulunur En ccedilok bilinen
bileşiği ise sudur Temiz enerji taşıyıcı olarak hidrojen kuumltle bazında yuumlksek bir spesifik
enerjiye sahiptir (oumlrneğin hidrojenin 95kg enerji iccedileriği benzinin 25kg enerjisine
eşdeğerdir) Hidrojen doğalgaz koumlmuumlr ağır hidrokarbonların gazlaştırılması buhar
reformasyonu suyun elektrolizi termokimyasal ayrışma gibi birccedilok teknikle ile elde
edilebilir (Momirlan and Veziroğlu 2005)
Bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin kullanılması CO2 emisyonlarını azaltmak iccedilin
uzun vadeli bir seccedilenektir Yenilenebilir enerji kaynaklarından uumlretilen hidrojen
gelecekteki enerji ihtiyacının buumlyuumlk boumlluumlmuumlnuuml karşılayıp ccedilevre kirliliğinin oumlnuumlne
geccedilecektir
Hidrojen petrokimya gıda mikroelektronik demir ve polimer sentezinde kimyasal
hammadde olarak kullanılan sistemlerde enerji taşıyıcı olarak avantajlı ve temiz
suumlrduumlruumllebilir enerji sistemlerinde kullanılmaktadır (Midilli et al 2005) Aynı zamanda
organik sentezlerde de yaygın olarak kullanılan bir indirgendir
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir Fakat doğada saf halde bulunmaz diğer
elementlerle bileşikler halinde bulunur
5
Bu yuumlzden hidrojenin uumlretimi iccedilin birccedilok metot bulunmaktadır Aşağıda hidrojen uumlretim
metodlarının en yaygın olanlarından kısaca bahsedilmektedir
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması
Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500degC sıcaklığa kadar olan suumlreccedil
piroliz safhası olup burada karbon gazlar ve katran elde edilir Yuumlksek sıcaklık ve
basınccedil uygulandığında karbon su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 uumlretilir
(Besancon et al 2009)
211b Buhar reformasyonu
Hidrojen uumlretimi iccedilin en yaygın olarak kullanılan youmlntemdir Reaksiyon yuumlksek basınccedil
ve sıcaklıkta Ni katalizoumlruuml eşliğinde gerccedilekleşir Endotermik bir reaksiyon olup ihtiyaccedil
duyulan enerjinin bir kısmı metan gazının yanması ile elde edilir (Kothari et al 2008)
211c Kvaerner youmlntemi
Bu teknik yuumlksek sıcaklıklarda hidrokarbonlardan elektrik akımı geccedilirilerek aktif
karbon ve hidrojen uumlretiminin gerccedilekleştirilmesi esasına dayanır Suumlreccedil sonunda CO2
oluşmaması diğer youmlntemlere goumlre bir avantaj sağlar Oluşan mevcut enerjinin yaklaşık
olarak 40rsquoını aktif karbon (AC) 48rsquoini hidrojen ve 10rsquonunu su buharı oluşturur
CH4 H2O CO +
CO H2O CO2 H2 +
CO 3H2 CH4 H2 +
3H2
CnH
m Enerji nC m2 H
2 + +
+
+
+
6
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu katalizoumlre ihtiyaccedil olmadan duumlşuumlk basınccedil altında
gerccedilekleşir Kısmi oksidasyon işleminin dezavantajı ise ortama CO2 ile birlikte aynı
zamanda CO gazı accedilığa ccedilıkarmasıdır Ccedilıkan CO gazıda elde edilen hidrojenin kullanım
alanını kısıtlamaktadır Ortalama verim 50 civarındadır (Dinccediler 2002)
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses
211e Suyun elektrolizi
Sudan elektrik akımı geccedilirerek su molekuumlllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını
sağlar Bu teknik hidrojen uumlretimi iccedilin bilinen en kolay youmlntemdir Hidrojen uumlretiminde
atmosfere herhangi bir kirletici gaz accedilığa ccedilıkarmadığından dolayı diğer youmlntemlere goumlre
avantajlı fakat fosil yakıtlara goumlre yuumlksek maliyetlidir (Acar and Dinccediler 2014) Ancak
elektroliz iccedilin gereken enerji yine fosil yakıtlardan sağlandığı iccedilin gelecekte yaygın
kullanımı konusunda şuumlpheler vardır
211f Suyun termal bozulması
Su buharının hidrojen ve oksijene ayrılması iccedilin ısının kullanıldığı bir metottur Basit
bir uygulamadır Suyun ccedilok yuumlksek sıcaklığa (3400K) ısıtılması ile doumlnuumlşuumlm gerccedilekleşir
(Dinccediler 2002)
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
iii
TEŞEKKUumlR
Yuumlksek lisans tezi olarak sunduğum bu ccedilalışma Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi
Kimya Boumlluumlmuumlnde Tuumlrkiye Bilimler Akademisi Uumlstuumln Başarılı Genccedil Bilim İnsanı
Programı (TUumlBA-GEBİP) kapsamında gerccedilekleştirilmiştir
Bu tezin gerccedilekleştirilmesinde bilgi birikimlerinden faydalandığım yanında
ccedilalışmaktan onur duyduğum tecruumlbelerinden yararlanırken goumlstermiş olduğu
hoşgoumlruumlden ve sabrından dolayı değerli danışman hocam Sayın Doccedil Dr Oumlnder
METİNrsquoe teşekkuumlr ederim
Anorganik kimya araştırma grubu arkadaşlarım Sayın Arş Goumlr Melike SEVİM
Suumlmeyra DİYARBAKIR Hasan CAN N Sedanur CcedilİFTCİ Guumllşah CcedilELİKDAĞ ve
Katip KORKMAZrsquoa tez ccedilalışmalarım suumlresince yanımda oldukları iccedilin teşekkuumlr ederim
Beni buumlyuumlk fedakacircrlıklar ile buguumlne getiren desteklerini benden hiccedil esirgemeyen
annem Pervin ve babam Cemil GUumlNGOumlRMEZ başta olmak uumlzere kardeşlerim Buumlşra ve
Berrarsquoya daima yanımda olduklarını hissettiren ablam Pelin GUumlNGOumlRMEZ KAKŞA
ve eniştem Mustafa KAKŞArsquoya teşekkuumlr ederim
Beni yetiştiren Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlne ve tuumlm hocalarıma teşekkuumlr ederim
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ
Ocak 2015
iv
İCcedilİNDEKİLER
OumlZET i
ABSTRACT ii
TEŞEKKUumlR iii
SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ vi
ŞEKİLLER DİZİNİ viii
CcedilİZELGELER DİZİNİ xi
1 GİRİŞ 1
2 KAYNAK OumlZETLERİ 4
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri 4
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri 4
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması 5
211b Buhar reformasyonu 5
211c Kvaerner youmlntemi 5
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu 6
211e Suyun elektrolizi 6
211f Suyun termal bozulması 6
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi 7
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi 7
212 Hidrojen Ekonomisi 7
213 Hidrojen Depolama 8
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri 8
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri 9
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri 11
214a Termoliz 12
214b Dehidrojenlenme 12
214c Solvoliz 12
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri 13
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri 14
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu) 14
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu) 15
v
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml 17
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması 17
223a Sterik kararlılaştırma 17
223b Elektrostatik kararlılaştırma 18
223c Elektrostatik denge 18
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri 19
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması 21
23 Katalizoumlr 22
231 Homojen katalizoumlrler 24
232 Heterojen katalizoumlrler 24
24 Grafen 26
241 Grafenin kullanım alanları 28
3 MATERYAL ve YOumlNTEM 29
31 Kimyasallar 29
32 Cihazlar 29
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi 30
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi 31
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi 34
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı 35
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği 36
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml 37
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA 38
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması 38
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları 45
5 SONUCcedilLAR 51
KAYNAKLAR 53
EKLER 58
EK 1 58
OumlZGECcedilMİŞ 59
vi
SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ
Ar-H2 Argon-Hidrojen
C60 Fulleren
CO Karbonmonoksit
CO2 Karbondioksit
CoPd Kobalt Paladyum
Cu Bakır
Cu(acac)2 Bakır(II) asetilasetonat
CuRu Bakır Rutenyum
Ea Aktivasyon Enerjisi
K Kelvin
Kgoumlzlenen Goumlzlenen Hız Sabiti
nano-Al2O3 Aluumlminyum Oksit
NiPd Nikel Paladyum
Pd Paladyum
Pd(acac)2 Paladyum(II) asetilasetonat
PtRu Platin Rutenyum
Kısaltmalar
AB Amonyak Boran
AC Aktif karbon
11B-NMR Bor Nuumlkleer Manyetik Rezonans
DMF NN Dimetilformamid
ICP-MS Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer (İnduumlktif Eşleşmiş
Plazma Optik Emisyon Spektrometresi)
İGO İndirgenmiş grafen oksit
İGO-CuPd İndirgenmiş grafen oksite destekli bakır paladyum nanopartikuumllleri
MB Morfolin boran
nm Nanometre
vii
NP Nanopartikuumll
OAm Oleyilamin
ODE Oktadesen
PVP Poli (N-vinil-2-pirolidon)
TEM Transmission Electron Microscopy (Geccedilirimli Elektron Mikroskopu)
TOF Turnover Frequency (Ccedilevrim Frekansı)
TON Turnover Number (Ccedilevrim sayısı)
TTON Total Turnover Number (Toplam Ccedilevrim sayısı)
XRD X-ray Diffruction (X ışınları kırınımı spektroskopisi)
viii
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses 6
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi 7
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr 9
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce
iccedilerdikleri hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması 11
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı 11
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi 13
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri 14
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim 15
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi 16
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP
oluşumu 17
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik
etkileşimi goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak
kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi 18
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması 19
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler 20
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar 21
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması 22
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi 24
Şekil 217 Grafen yapısı 26
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi 27
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi 30
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması 31
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması 32
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı 33
ix
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı
akışında tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi 35
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini
oumllccedilmeyi sağlayan sistem 36
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri 38
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri 39
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25
NPrsquolerin TEM goumlruumlntuumlleri 40
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25
NPrsquolerine ait XRD desenleri 41
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise
başlangıccedil TOF değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini
goumlsterir 42
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 43
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz
karışımı altında 400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen
yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 44
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml 45
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin
25plusmn05degCrsquode gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen
gazının mol miktarının zamana karşı grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı
ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir 46
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının
mol miktarının zaman karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB]
grafiğini goumlstermektedir 47
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM
ABrsquonin hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının
zamana karşı grafiği 48
x
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği 49
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin
zamana karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği 50
xi
CcedilİZELGELER DİZİNİ
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması 25
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri
ve elde edilen TOF değerleri 52
1
1 GİRİŞ
Duumlnya enerji ihtiyacının buumlyuumlk bir kısmını fosil yakıtlardan karşılamaktadır Fosil
yakıtların yoğun bir şekilde kullanılması sonucu atmosfere salınan başta CO2 olmak
uumlzere zararlı sera gazları hava kirliliğine ve kuumlresel ısınmaya sebep olmaktadır Hava
kirliliğini ve kuumlresel ısınmayı oumlnlemek amacıyla fosil yakıtlara alternatif olarak ruumlzgar
ve guumlneş enerjisi başta olmak uumlzere yenilenebilir enerji kaynakları uumlzerine
ccedilalışılmaktadır Ancak bu yenilenebilir enerji kaynaklarında en buumlyuumlk sorun suumlreksiz
olmaları ve kurulum maliyetlerinin yuumlksek olmasıdır Bu nedenle yenilenebilir enerji
kaynaklarına alternatif olarak hidrojenin enerji taşıyıcı olarak kullanılması avantajlıdır
Temiz bir enerji taşıyıcısı olan hidrojen son zamanlardaki bilimsel ve teknolojik
gelişmeler sayesinde guumlnluumlk uygulamalarda yerini almıştır Taşınabilir yakıt huumlcresi
teknolojilerinin yanı sıra ccedileşitli otomobil şirketleri 2015 yılında satış iccedilin hidrojen
yakıtlı araccedilların uumlretimini accedilıklamışlardır (Laird 2014) Hidrojen duumlnya ccedilapında gelecek
iccedilin enerji sorunlarının ccediloumlzuumlmuuml olarak kabul edilmektedir (Stetson 2013)
Hidrojen ekonomisinde son yıllarda meydana gelen oumlnemli gelişmelere rağmen halen
hidrojenin guumlnluumlk kullanımına youmlnelik oumlnemli teknolojik ve ekonomik engeller
bulunmaktadır (Stetson 2013) Buguumlne kadar ccedilok sayıda depolama teknikleri
geliştirilmiş olmasına rağmen hidrojenin guumlvenli depolanması ve kontrolluuml bir şekilde
salıverilmesi suumlregelen ccediloumlzuumllememiş sorunlar arasında en oumlnemlisidir Depolama
sorununa ccediloumlzuumlm olarak hidrojeni katı fazda kimyasal bileşik halinde depolama en ccedilok
incelenen teknolojilerden biridir AB kompleksi (H3NBH3) şimdiye kadar test edilen
kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında gravimetrik ve hacimsel olarak en
yuumlksek hidrojen iccedileriğine sahiptir Duumlşuumlk molekuumll ağırlığı zehirsiz olması ve ccediloumlzelti
iccedilerisinde kararlı olarak bulunması ABrsquonin diğer depolama malzemelerine goumlre
avantajlarıdır (Stephens et al 2007) AB uygun katalizoumlr varlığında hidroliz yolu ile oda
sıcaklığında tuumlm hidrojenini kolayca salıveririr Aşağıda ABrsquonin hidroliz tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
)(3H)()BONH()( O2H)(NBHH 224233 gsulussuluKatalizoumlr
2
Buguumlne kadar ccedileşitli katalizoumlrler ABrsquonin hidroliziyle test edilmiştir AB hidrolizinde en
yuumlksek hidrojen gazı salınımını soy metaller (Pt Ru Rh Pd) ya da bu metallerin
bimetalik formundaki katalizoumlrler goumlstermiştir Soy metaller arasında Pd diğerlerine
goumlre daha ucuz olması ve ABrsquonin dehidrojenlenmesinde umut vaat eden aktivitesi ile en
iyi seccedilenek olarak kabul edilmektedir
Diğer taraftan birinci sıra geccediliş metalleri (Fe Co Ni Cu) varlığında Pdrsquonin bimetalik
NPrsquolerinin hazırlanmasıyla daha ekonomik ve daha aktif Pd katalizoumlrlerin sentezi
gerccedilekleştirilir Literatuumlrde karbon destekli CoPd (Sun et al 2011) ve İGO destekli
NiPd alaşım NPrsquolerinin (Ccediliftci and Metin 2014) ABrsquonin hidrolitik
dehidrojenlenmesinde yuumlksek katalitik etkinliğe sahip katalizoumlrler oldukları grubumuz
tarafından bildirildi Ancak ABrsquonin dehidrojenlenmesi uumlzerine detaylı bir literatuumlr
taraması yapıldığında Cu esaslı katalizoumlrlerin ABrsquonin hidrolizinde sınırlı sayıda
ccedilalışılmış olduğu ve aktivitelerinin duumlşuumlk olduğu goumlruumllmektedir Oumlrneğin İGO-Cu
katalizoumlruuml (Yang et al 2014) ABrsquonin hidrolizindeki ccedilevrim frekansının (TOF) 361dk-1
olduğu bildirilmiştir Bununla birlikte İGO-CuRu alaşım NPrsquolerinin (Cao et al 2014)
AB ile hidrolizinde TOF değeri 135dk-1
olarak bildirilmiştir Bu ve buna benzer
ccedilalışmalar bize bir soy metal ile ucuz olan Cursquonun bimetalik NPrsquolerinin hazırlanması ile
ABrsquonin hidrolizi iccedilin etkin ve ekonomik katalizoumlrler geliştirilebileceğini goumlstermektedir
Biz de bu motivasyon ve daha oumlnce bildirdiğimiz CoPd ve NiPd alaşım NPrsquolerinin
ABrsquonin hidrolizindeki aktivitelerini goumlz oumlnuumlne alarak bu tez ccedilalışmasında İGOrsquoya
desteklenmiş CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinliklerini
inceledik Bu tez ccedilalışması CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde test edilmesi
youmlnuumlnden literatuumlrde ilk oumlrnektir Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri
Cu(acac)2 ve Pd(acac)2 başlangıccedil metal tuzlarının OAm ve ODE iccedilerisinde 80degCrsquode eş
zamanlı indirgenmesi yolu ile sentezlendi Mevcut reccedilete ile CuPd NPrsquolerinin
kompozisyon kontrolluuml sentezi gerccedilekleştirildi ve CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı
kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25) sentezlendi CuPd alaşım NPrsquolerinin
sentezlenen uumlccedil farklı kompozisyonu İGOrsquoya desteklendi ve ABrsquonin hidrolizinde
katalizoumlr olarak test edildi Test edilen kompozisyonlar arasında en yuumlksek katalitik
3
etkinliği 131dk-1
ccedilevrim frekansı ile İGO-Cu75Pd25 goumlsterdi İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruumlnuumln katalitik etkinliği 400degCrsquode Ar-H2(5H2) gaz atmosferinde 1 saat
tavlama yolu ile 299dk-1
ccedilevrim frekansına artırıldı Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile
hidrolizindeki kinetiği katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak
ccedilalışılarak tepkimenin hız yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
4
2 KAYNAK OumlZETLERİ
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri
Periyodik cetvelin sol uumlst koumlşesinde yer alan hidrojenin ccedilekirdeğinde bir proton ve dış
youmlruumlngesinde bir elektron vardır En hafif element olarak bilinen hidrojenin atomik
kuumltlesi 100794gmolrsquoduumlr Standart sıcaklık ve basınccedil altında hidrojen renksiz kokusuz
tatsız metalik olmayan yoğunluğu havadan 144 kez daha hafif olan bir elementtir
Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz bileşikler halinde bulunur En ccedilok bilinen
bileşiği ise sudur Temiz enerji taşıyıcı olarak hidrojen kuumltle bazında yuumlksek bir spesifik
enerjiye sahiptir (oumlrneğin hidrojenin 95kg enerji iccedileriği benzinin 25kg enerjisine
eşdeğerdir) Hidrojen doğalgaz koumlmuumlr ağır hidrokarbonların gazlaştırılması buhar
reformasyonu suyun elektrolizi termokimyasal ayrışma gibi birccedilok teknikle ile elde
edilebilir (Momirlan and Veziroğlu 2005)
Bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin kullanılması CO2 emisyonlarını azaltmak iccedilin
uzun vadeli bir seccedilenektir Yenilenebilir enerji kaynaklarından uumlretilen hidrojen
gelecekteki enerji ihtiyacının buumlyuumlk boumlluumlmuumlnuuml karşılayıp ccedilevre kirliliğinin oumlnuumlne
geccedilecektir
Hidrojen petrokimya gıda mikroelektronik demir ve polimer sentezinde kimyasal
hammadde olarak kullanılan sistemlerde enerji taşıyıcı olarak avantajlı ve temiz
suumlrduumlruumllebilir enerji sistemlerinde kullanılmaktadır (Midilli et al 2005) Aynı zamanda
organik sentezlerde de yaygın olarak kullanılan bir indirgendir
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir Fakat doğada saf halde bulunmaz diğer
elementlerle bileşikler halinde bulunur
5
Bu yuumlzden hidrojenin uumlretimi iccedilin birccedilok metot bulunmaktadır Aşağıda hidrojen uumlretim
metodlarının en yaygın olanlarından kısaca bahsedilmektedir
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması
Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500degC sıcaklığa kadar olan suumlreccedil
piroliz safhası olup burada karbon gazlar ve katran elde edilir Yuumlksek sıcaklık ve
basınccedil uygulandığında karbon su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 uumlretilir
(Besancon et al 2009)
211b Buhar reformasyonu
Hidrojen uumlretimi iccedilin en yaygın olarak kullanılan youmlntemdir Reaksiyon yuumlksek basınccedil
ve sıcaklıkta Ni katalizoumlruuml eşliğinde gerccedilekleşir Endotermik bir reaksiyon olup ihtiyaccedil
duyulan enerjinin bir kısmı metan gazının yanması ile elde edilir (Kothari et al 2008)
211c Kvaerner youmlntemi
Bu teknik yuumlksek sıcaklıklarda hidrokarbonlardan elektrik akımı geccedilirilerek aktif
karbon ve hidrojen uumlretiminin gerccedilekleştirilmesi esasına dayanır Suumlreccedil sonunda CO2
oluşmaması diğer youmlntemlere goumlre bir avantaj sağlar Oluşan mevcut enerjinin yaklaşık
olarak 40rsquoını aktif karbon (AC) 48rsquoini hidrojen ve 10rsquonunu su buharı oluşturur
CH4 H2O CO +
CO H2O CO2 H2 +
CO 3H2 CH4 H2 +
3H2
CnH
m Enerji nC m2 H
2 + +
+
+
+
6
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu katalizoumlre ihtiyaccedil olmadan duumlşuumlk basınccedil altında
gerccedilekleşir Kısmi oksidasyon işleminin dezavantajı ise ortama CO2 ile birlikte aynı
zamanda CO gazı accedilığa ccedilıkarmasıdır Ccedilıkan CO gazıda elde edilen hidrojenin kullanım
alanını kısıtlamaktadır Ortalama verim 50 civarındadır (Dinccediler 2002)
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses
211e Suyun elektrolizi
Sudan elektrik akımı geccedilirerek su molekuumlllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını
sağlar Bu teknik hidrojen uumlretimi iccedilin bilinen en kolay youmlntemdir Hidrojen uumlretiminde
atmosfere herhangi bir kirletici gaz accedilığa ccedilıkarmadığından dolayı diğer youmlntemlere goumlre
avantajlı fakat fosil yakıtlara goumlre yuumlksek maliyetlidir (Acar and Dinccediler 2014) Ancak
elektroliz iccedilin gereken enerji yine fosil yakıtlardan sağlandığı iccedilin gelecekte yaygın
kullanımı konusunda şuumlpheler vardır
211f Suyun termal bozulması
Su buharının hidrojen ve oksijene ayrılması iccedilin ısının kullanıldığı bir metottur Basit
bir uygulamadır Suyun ccedilok yuumlksek sıcaklığa (3400K) ısıtılması ile doumlnuumlşuumlm gerccedilekleşir
(Dinccediler 2002)
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
iv
İCcedilİNDEKİLER
OumlZET i
ABSTRACT ii
TEŞEKKUumlR iii
SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ vi
ŞEKİLLER DİZİNİ viii
CcedilİZELGELER DİZİNİ xi
1 GİRİŞ 1
2 KAYNAK OumlZETLERİ 4
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri 4
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri 4
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması 5
211b Buhar reformasyonu 5
211c Kvaerner youmlntemi 5
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu 6
211e Suyun elektrolizi 6
211f Suyun termal bozulması 6
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi 7
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi 7
212 Hidrojen Ekonomisi 7
213 Hidrojen Depolama 8
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri 8
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri 9
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri 11
214a Termoliz 12
214b Dehidrojenlenme 12
214c Solvoliz 12
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri 13
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri 14
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu) 14
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu) 15
v
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml 17
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması 17
223a Sterik kararlılaştırma 17
223b Elektrostatik kararlılaştırma 18
223c Elektrostatik denge 18
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri 19
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması 21
23 Katalizoumlr 22
231 Homojen katalizoumlrler 24
232 Heterojen katalizoumlrler 24
24 Grafen 26
241 Grafenin kullanım alanları 28
3 MATERYAL ve YOumlNTEM 29
31 Kimyasallar 29
32 Cihazlar 29
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi 30
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi 31
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi 34
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı 35
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği 36
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml 37
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA 38
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması 38
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları 45
5 SONUCcedilLAR 51
KAYNAKLAR 53
EKLER 58
EK 1 58
OumlZGECcedilMİŞ 59
vi
SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ
Ar-H2 Argon-Hidrojen
C60 Fulleren
CO Karbonmonoksit
CO2 Karbondioksit
CoPd Kobalt Paladyum
Cu Bakır
Cu(acac)2 Bakır(II) asetilasetonat
CuRu Bakır Rutenyum
Ea Aktivasyon Enerjisi
K Kelvin
Kgoumlzlenen Goumlzlenen Hız Sabiti
nano-Al2O3 Aluumlminyum Oksit
NiPd Nikel Paladyum
Pd Paladyum
Pd(acac)2 Paladyum(II) asetilasetonat
PtRu Platin Rutenyum
Kısaltmalar
AB Amonyak Boran
AC Aktif karbon
11B-NMR Bor Nuumlkleer Manyetik Rezonans
DMF NN Dimetilformamid
ICP-MS Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer (İnduumlktif Eşleşmiş
Plazma Optik Emisyon Spektrometresi)
İGO İndirgenmiş grafen oksit
İGO-CuPd İndirgenmiş grafen oksite destekli bakır paladyum nanopartikuumllleri
MB Morfolin boran
nm Nanometre
vii
NP Nanopartikuumll
OAm Oleyilamin
ODE Oktadesen
PVP Poli (N-vinil-2-pirolidon)
TEM Transmission Electron Microscopy (Geccedilirimli Elektron Mikroskopu)
TOF Turnover Frequency (Ccedilevrim Frekansı)
TON Turnover Number (Ccedilevrim sayısı)
TTON Total Turnover Number (Toplam Ccedilevrim sayısı)
XRD X-ray Diffruction (X ışınları kırınımı spektroskopisi)
viii
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses 6
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi 7
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr 9
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce
iccedilerdikleri hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması 11
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı 11
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi 13
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri 14
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim 15
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi 16
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP
oluşumu 17
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik
etkileşimi goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak
kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi 18
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması 19
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler 20
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar 21
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması 22
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi 24
Şekil 217 Grafen yapısı 26
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi 27
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi 30
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması 31
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması 32
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı 33
ix
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı
akışında tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi 35
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini
oumllccedilmeyi sağlayan sistem 36
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri 38
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri 39
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25
NPrsquolerin TEM goumlruumlntuumlleri 40
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25
NPrsquolerine ait XRD desenleri 41
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise
başlangıccedil TOF değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini
goumlsterir 42
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 43
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz
karışımı altında 400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen
yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 44
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml 45
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin
25plusmn05degCrsquode gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen
gazının mol miktarının zamana karşı grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı
ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir 46
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının
mol miktarının zaman karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB]
grafiğini goumlstermektedir 47
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM
ABrsquonin hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının
zamana karşı grafiği 48
x
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği 49
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin
zamana karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği 50
xi
CcedilİZELGELER DİZİNİ
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması 25
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri
ve elde edilen TOF değerleri 52
1
1 GİRİŞ
Duumlnya enerji ihtiyacının buumlyuumlk bir kısmını fosil yakıtlardan karşılamaktadır Fosil
yakıtların yoğun bir şekilde kullanılması sonucu atmosfere salınan başta CO2 olmak
uumlzere zararlı sera gazları hava kirliliğine ve kuumlresel ısınmaya sebep olmaktadır Hava
kirliliğini ve kuumlresel ısınmayı oumlnlemek amacıyla fosil yakıtlara alternatif olarak ruumlzgar
ve guumlneş enerjisi başta olmak uumlzere yenilenebilir enerji kaynakları uumlzerine
ccedilalışılmaktadır Ancak bu yenilenebilir enerji kaynaklarında en buumlyuumlk sorun suumlreksiz
olmaları ve kurulum maliyetlerinin yuumlksek olmasıdır Bu nedenle yenilenebilir enerji
kaynaklarına alternatif olarak hidrojenin enerji taşıyıcı olarak kullanılması avantajlıdır
Temiz bir enerji taşıyıcısı olan hidrojen son zamanlardaki bilimsel ve teknolojik
gelişmeler sayesinde guumlnluumlk uygulamalarda yerini almıştır Taşınabilir yakıt huumlcresi
teknolojilerinin yanı sıra ccedileşitli otomobil şirketleri 2015 yılında satış iccedilin hidrojen
yakıtlı araccedilların uumlretimini accedilıklamışlardır (Laird 2014) Hidrojen duumlnya ccedilapında gelecek
iccedilin enerji sorunlarının ccediloumlzuumlmuuml olarak kabul edilmektedir (Stetson 2013)
Hidrojen ekonomisinde son yıllarda meydana gelen oumlnemli gelişmelere rağmen halen
hidrojenin guumlnluumlk kullanımına youmlnelik oumlnemli teknolojik ve ekonomik engeller
bulunmaktadır (Stetson 2013) Buguumlne kadar ccedilok sayıda depolama teknikleri
geliştirilmiş olmasına rağmen hidrojenin guumlvenli depolanması ve kontrolluuml bir şekilde
salıverilmesi suumlregelen ccediloumlzuumllememiş sorunlar arasında en oumlnemlisidir Depolama
sorununa ccediloumlzuumlm olarak hidrojeni katı fazda kimyasal bileşik halinde depolama en ccedilok
incelenen teknolojilerden biridir AB kompleksi (H3NBH3) şimdiye kadar test edilen
kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında gravimetrik ve hacimsel olarak en
yuumlksek hidrojen iccedileriğine sahiptir Duumlşuumlk molekuumll ağırlığı zehirsiz olması ve ccediloumlzelti
iccedilerisinde kararlı olarak bulunması ABrsquonin diğer depolama malzemelerine goumlre
avantajlarıdır (Stephens et al 2007) AB uygun katalizoumlr varlığında hidroliz yolu ile oda
sıcaklığında tuumlm hidrojenini kolayca salıveririr Aşağıda ABrsquonin hidroliz tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
)(3H)()BONH()( O2H)(NBHH 224233 gsulussuluKatalizoumlr
2
Buguumlne kadar ccedileşitli katalizoumlrler ABrsquonin hidroliziyle test edilmiştir AB hidrolizinde en
yuumlksek hidrojen gazı salınımını soy metaller (Pt Ru Rh Pd) ya da bu metallerin
bimetalik formundaki katalizoumlrler goumlstermiştir Soy metaller arasında Pd diğerlerine
goumlre daha ucuz olması ve ABrsquonin dehidrojenlenmesinde umut vaat eden aktivitesi ile en
iyi seccedilenek olarak kabul edilmektedir
Diğer taraftan birinci sıra geccediliş metalleri (Fe Co Ni Cu) varlığında Pdrsquonin bimetalik
NPrsquolerinin hazırlanmasıyla daha ekonomik ve daha aktif Pd katalizoumlrlerin sentezi
gerccedilekleştirilir Literatuumlrde karbon destekli CoPd (Sun et al 2011) ve İGO destekli
NiPd alaşım NPrsquolerinin (Ccediliftci and Metin 2014) ABrsquonin hidrolitik
dehidrojenlenmesinde yuumlksek katalitik etkinliğe sahip katalizoumlrler oldukları grubumuz
tarafından bildirildi Ancak ABrsquonin dehidrojenlenmesi uumlzerine detaylı bir literatuumlr
taraması yapıldığında Cu esaslı katalizoumlrlerin ABrsquonin hidrolizinde sınırlı sayıda
ccedilalışılmış olduğu ve aktivitelerinin duumlşuumlk olduğu goumlruumllmektedir Oumlrneğin İGO-Cu
katalizoumlruuml (Yang et al 2014) ABrsquonin hidrolizindeki ccedilevrim frekansının (TOF) 361dk-1
olduğu bildirilmiştir Bununla birlikte İGO-CuRu alaşım NPrsquolerinin (Cao et al 2014)
AB ile hidrolizinde TOF değeri 135dk-1
olarak bildirilmiştir Bu ve buna benzer
ccedilalışmalar bize bir soy metal ile ucuz olan Cursquonun bimetalik NPrsquolerinin hazırlanması ile
ABrsquonin hidrolizi iccedilin etkin ve ekonomik katalizoumlrler geliştirilebileceğini goumlstermektedir
Biz de bu motivasyon ve daha oumlnce bildirdiğimiz CoPd ve NiPd alaşım NPrsquolerinin
ABrsquonin hidrolizindeki aktivitelerini goumlz oumlnuumlne alarak bu tez ccedilalışmasında İGOrsquoya
desteklenmiş CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinliklerini
inceledik Bu tez ccedilalışması CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde test edilmesi
youmlnuumlnden literatuumlrde ilk oumlrnektir Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri
Cu(acac)2 ve Pd(acac)2 başlangıccedil metal tuzlarının OAm ve ODE iccedilerisinde 80degCrsquode eş
zamanlı indirgenmesi yolu ile sentezlendi Mevcut reccedilete ile CuPd NPrsquolerinin
kompozisyon kontrolluuml sentezi gerccedilekleştirildi ve CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı
kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25) sentezlendi CuPd alaşım NPrsquolerinin
sentezlenen uumlccedil farklı kompozisyonu İGOrsquoya desteklendi ve ABrsquonin hidrolizinde
katalizoumlr olarak test edildi Test edilen kompozisyonlar arasında en yuumlksek katalitik
3
etkinliği 131dk-1
ccedilevrim frekansı ile İGO-Cu75Pd25 goumlsterdi İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruumlnuumln katalitik etkinliği 400degCrsquode Ar-H2(5H2) gaz atmosferinde 1 saat
tavlama yolu ile 299dk-1
ccedilevrim frekansına artırıldı Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile
hidrolizindeki kinetiği katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak
ccedilalışılarak tepkimenin hız yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
4
2 KAYNAK OumlZETLERİ
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri
Periyodik cetvelin sol uumlst koumlşesinde yer alan hidrojenin ccedilekirdeğinde bir proton ve dış
youmlruumlngesinde bir elektron vardır En hafif element olarak bilinen hidrojenin atomik
kuumltlesi 100794gmolrsquoduumlr Standart sıcaklık ve basınccedil altında hidrojen renksiz kokusuz
tatsız metalik olmayan yoğunluğu havadan 144 kez daha hafif olan bir elementtir
Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz bileşikler halinde bulunur En ccedilok bilinen
bileşiği ise sudur Temiz enerji taşıyıcı olarak hidrojen kuumltle bazında yuumlksek bir spesifik
enerjiye sahiptir (oumlrneğin hidrojenin 95kg enerji iccedileriği benzinin 25kg enerjisine
eşdeğerdir) Hidrojen doğalgaz koumlmuumlr ağır hidrokarbonların gazlaştırılması buhar
reformasyonu suyun elektrolizi termokimyasal ayrışma gibi birccedilok teknikle ile elde
edilebilir (Momirlan and Veziroğlu 2005)
Bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin kullanılması CO2 emisyonlarını azaltmak iccedilin
uzun vadeli bir seccedilenektir Yenilenebilir enerji kaynaklarından uumlretilen hidrojen
gelecekteki enerji ihtiyacının buumlyuumlk boumlluumlmuumlnuuml karşılayıp ccedilevre kirliliğinin oumlnuumlne
geccedilecektir
Hidrojen petrokimya gıda mikroelektronik demir ve polimer sentezinde kimyasal
hammadde olarak kullanılan sistemlerde enerji taşıyıcı olarak avantajlı ve temiz
suumlrduumlruumllebilir enerji sistemlerinde kullanılmaktadır (Midilli et al 2005) Aynı zamanda
organik sentezlerde de yaygın olarak kullanılan bir indirgendir
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir Fakat doğada saf halde bulunmaz diğer
elementlerle bileşikler halinde bulunur
5
Bu yuumlzden hidrojenin uumlretimi iccedilin birccedilok metot bulunmaktadır Aşağıda hidrojen uumlretim
metodlarının en yaygın olanlarından kısaca bahsedilmektedir
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması
Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500degC sıcaklığa kadar olan suumlreccedil
piroliz safhası olup burada karbon gazlar ve katran elde edilir Yuumlksek sıcaklık ve
basınccedil uygulandığında karbon su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 uumlretilir
(Besancon et al 2009)
211b Buhar reformasyonu
Hidrojen uumlretimi iccedilin en yaygın olarak kullanılan youmlntemdir Reaksiyon yuumlksek basınccedil
ve sıcaklıkta Ni katalizoumlruuml eşliğinde gerccedilekleşir Endotermik bir reaksiyon olup ihtiyaccedil
duyulan enerjinin bir kısmı metan gazının yanması ile elde edilir (Kothari et al 2008)
211c Kvaerner youmlntemi
Bu teknik yuumlksek sıcaklıklarda hidrokarbonlardan elektrik akımı geccedilirilerek aktif
karbon ve hidrojen uumlretiminin gerccedilekleştirilmesi esasına dayanır Suumlreccedil sonunda CO2
oluşmaması diğer youmlntemlere goumlre bir avantaj sağlar Oluşan mevcut enerjinin yaklaşık
olarak 40rsquoını aktif karbon (AC) 48rsquoini hidrojen ve 10rsquonunu su buharı oluşturur
CH4 H2O CO +
CO H2O CO2 H2 +
CO 3H2 CH4 H2 +
3H2
CnH
m Enerji nC m2 H
2 + +
+
+
+
6
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu katalizoumlre ihtiyaccedil olmadan duumlşuumlk basınccedil altında
gerccedilekleşir Kısmi oksidasyon işleminin dezavantajı ise ortama CO2 ile birlikte aynı
zamanda CO gazı accedilığa ccedilıkarmasıdır Ccedilıkan CO gazıda elde edilen hidrojenin kullanım
alanını kısıtlamaktadır Ortalama verim 50 civarındadır (Dinccediler 2002)
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses
211e Suyun elektrolizi
Sudan elektrik akımı geccedilirerek su molekuumlllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını
sağlar Bu teknik hidrojen uumlretimi iccedilin bilinen en kolay youmlntemdir Hidrojen uumlretiminde
atmosfere herhangi bir kirletici gaz accedilığa ccedilıkarmadığından dolayı diğer youmlntemlere goumlre
avantajlı fakat fosil yakıtlara goumlre yuumlksek maliyetlidir (Acar and Dinccediler 2014) Ancak
elektroliz iccedilin gereken enerji yine fosil yakıtlardan sağlandığı iccedilin gelecekte yaygın
kullanımı konusunda şuumlpheler vardır
211f Suyun termal bozulması
Su buharının hidrojen ve oksijene ayrılması iccedilin ısının kullanıldığı bir metottur Basit
bir uygulamadır Suyun ccedilok yuumlksek sıcaklığa (3400K) ısıtılması ile doumlnuumlşuumlm gerccedilekleşir
(Dinccediler 2002)
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
v
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml 17
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması 17
223a Sterik kararlılaştırma 17
223b Elektrostatik kararlılaştırma 18
223c Elektrostatik denge 18
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri 19
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması 21
23 Katalizoumlr 22
231 Homojen katalizoumlrler 24
232 Heterojen katalizoumlrler 24
24 Grafen 26
241 Grafenin kullanım alanları 28
3 MATERYAL ve YOumlNTEM 29
31 Kimyasallar 29
32 Cihazlar 29
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi 30
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi 31
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi 34
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı 35
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği 36
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml 37
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA 38
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması 38
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları 45
5 SONUCcedilLAR 51
KAYNAKLAR 53
EKLER 58
EK 1 58
OumlZGECcedilMİŞ 59
vi
SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ
Ar-H2 Argon-Hidrojen
C60 Fulleren
CO Karbonmonoksit
CO2 Karbondioksit
CoPd Kobalt Paladyum
Cu Bakır
Cu(acac)2 Bakır(II) asetilasetonat
CuRu Bakır Rutenyum
Ea Aktivasyon Enerjisi
K Kelvin
Kgoumlzlenen Goumlzlenen Hız Sabiti
nano-Al2O3 Aluumlminyum Oksit
NiPd Nikel Paladyum
Pd Paladyum
Pd(acac)2 Paladyum(II) asetilasetonat
PtRu Platin Rutenyum
Kısaltmalar
AB Amonyak Boran
AC Aktif karbon
11B-NMR Bor Nuumlkleer Manyetik Rezonans
DMF NN Dimetilformamid
ICP-MS Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer (İnduumlktif Eşleşmiş
Plazma Optik Emisyon Spektrometresi)
İGO İndirgenmiş grafen oksit
İGO-CuPd İndirgenmiş grafen oksite destekli bakır paladyum nanopartikuumllleri
MB Morfolin boran
nm Nanometre
vii
NP Nanopartikuumll
OAm Oleyilamin
ODE Oktadesen
PVP Poli (N-vinil-2-pirolidon)
TEM Transmission Electron Microscopy (Geccedilirimli Elektron Mikroskopu)
TOF Turnover Frequency (Ccedilevrim Frekansı)
TON Turnover Number (Ccedilevrim sayısı)
TTON Total Turnover Number (Toplam Ccedilevrim sayısı)
XRD X-ray Diffruction (X ışınları kırınımı spektroskopisi)
viii
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses 6
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi 7
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr 9
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce
iccedilerdikleri hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması 11
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı 11
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi 13
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri 14
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim 15
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi 16
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP
oluşumu 17
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik
etkileşimi goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak
kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi 18
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması 19
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler 20
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar 21
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması 22
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi 24
Şekil 217 Grafen yapısı 26
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi 27
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi 30
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması 31
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması 32
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı 33
ix
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı
akışında tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi 35
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini
oumllccedilmeyi sağlayan sistem 36
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri 38
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri 39
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25
NPrsquolerin TEM goumlruumlntuumlleri 40
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25
NPrsquolerine ait XRD desenleri 41
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise
başlangıccedil TOF değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini
goumlsterir 42
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 43
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz
karışımı altında 400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen
yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 44
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml 45
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin
25plusmn05degCrsquode gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen
gazının mol miktarının zamana karşı grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı
ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir 46
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının
mol miktarının zaman karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB]
grafiğini goumlstermektedir 47
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM
ABrsquonin hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının
zamana karşı grafiği 48
x
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği 49
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin
zamana karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği 50
xi
CcedilİZELGELER DİZİNİ
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması 25
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri
ve elde edilen TOF değerleri 52
1
1 GİRİŞ
Duumlnya enerji ihtiyacının buumlyuumlk bir kısmını fosil yakıtlardan karşılamaktadır Fosil
yakıtların yoğun bir şekilde kullanılması sonucu atmosfere salınan başta CO2 olmak
uumlzere zararlı sera gazları hava kirliliğine ve kuumlresel ısınmaya sebep olmaktadır Hava
kirliliğini ve kuumlresel ısınmayı oumlnlemek amacıyla fosil yakıtlara alternatif olarak ruumlzgar
ve guumlneş enerjisi başta olmak uumlzere yenilenebilir enerji kaynakları uumlzerine
ccedilalışılmaktadır Ancak bu yenilenebilir enerji kaynaklarında en buumlyuumlk sorun suumlreksiz
olmaları ve kurulum maliyetlerinin yuumlksek olmasıdır Bu nedenle yenilenebilir enerji
kaynaklarına alternatif olarak hidrojenin enerji taşıyıcı olarak kullanılması avantajlıdır
Temiz bir enerji taşıyıcısı olan hidrojen son zamanlardaki bilimsel ve teknolojik
gelişmeler sayesinde guumlnluumlk uygulamalarda yerini almıştır Taşınabilir yakıt huumlcresi
teknolojilerinin yanı sıra ccedileşitli otomobil şirketleri 2015 yılında satış iccedilin hidrojen
yakıtlı araccedilların uumlretimini accedilıklamışlardır (Laird 2014) Hidrojen duumlnya ccedilapında gelecek
iccedilin enerji sorunlarının ccediloumlzuumlmuuml olarak kabul edilmektedir (Stetson 2013)
Hidrojen ekonomisinde son yıllarda meydana gelen oumlnemli gelişmelere rağmen halen
hidrojenin guumlnluumlk kullanımına youmlnelik oumlnemli teknolojik ve ekonomik engeller
bulunmaktadır (Stetson 2013) Buguumlne kadar ccedilok sayıda depolama teknikleri
geliştirilmiş olmasına rağmen hidrojenin guumlvenli depolanması ve kontrolluuml bir şekilde
salıverilmesi suumlregelen ccediloumlzuumllememiş sorunlar arasında en oumlnemlisidir Depolama
sorununa ccediloumlzuumlm olarak hidrojeni katı fazda kimyasal bileşik halinde depolama en ccedilok
incelenen teknolojilerden biridir AB kompleksi (H3NBH3) şimdiye kadar test edilen
kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında gravimetrik ve hacimsel olarak en
yuumlksek hidrojen iccedileriğine sahiptir Duumlşuumlk molekuumll ağırlığı zehirsiz olması ve ccediloumlzelti
iccedilerisinde kararlı olarak bulunması ABrsquonin diğer depolama malzemelerine goumlre
avantajlarıdır (Stephens et al 2007) AB uygun katalizoumlr varlığında hidroliz yolu ile oda
sıcaklığında tuumlm hidrojenini kolayca salıveririr Aşağıda ABrsquonin hidroliz tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
)(3H)()BONH()( O2H)(NBHH 224233 gsulussuluKatalizoumlr
2
Buguumlne kadar ccedileşitli katalizoumlrler ABrsquonin hidroliziyle test edilmiştir AB hidrolizinde en
yuumlksek hidrojen gazı salınımını soy metaller (Pt Ru Rh Pd) ya da bu metallerin
bimetalik formundaki katalizoumlrler goumlstermiştir Soy metaller arasında Pd diğerlerine
goumlre daha ucuz olması ve ABrsquonin dehidrojenlenmesinde umut vaat eden aktivitesi ile en
iyi seccedilenek olarak kabul edilmektedir
Diğer taraftan birinci sıra geccediliş metalleri (Fe Co Ni Cu) varlığında Pdrsquonin bimetalik
NPrsquolerinin hazırlanmasıyla daha ekonomik ve daha aktif Pd katalizoumlrlerin sentezi
gerccedilekleştirilir Literatuumlrde karbon destekli CoPd (Sun et al 2011) ve İGO destekli
NiPd alaşım NPrsquolerinin (Ccediliftci and Metin 2014) ABrsquonin hidrolitik
dehidrojenlenmesinde yuumlksek katalitik etkinliğe sahip katalizoumlrler oldukları grubumuz
tarafından bildirildi Ancak ABrsquonin dehidrojenlenmesi uumlzerine detaylı bir literatuumlr
taraması yapıldığında Cu esaslı katalizoumlrlerin ABrsquonin hidrolizinde sınırlı sayıda
ccedilalışılmış olduğu ve aktivitelerinin duumlşuumlk olduğu goumlruumllmektedir Oumlrneğin İGO-Cu
katalizoumlruuml (Yang et al 2014) ABrsquonin hidrolizindeki ccedilevrim frekansının (TOF) 361dk-1
olduğu bildirilmiştir Bununla birlikte İGO-CuRu alaşım NPrsquolerinin (Cao et al 2014)
AB ile hidrolizinde TOF değeri 135dk-1
olarak bildirilmiştir Bu ve buna benzer
ccedilalışmalar bize bir soy metal ile ucuz olan Cursquonun bimetalik NPrsquolerinin hazırlanması ile
ABrsquonin hidrolizi iccedilin etkin ve ekonomik katalizoumlrler geliştirilebileceğini goumlstermektedir
Biz de bu motivasyon ve daha oumlnce bildirdiğimiz CoPd ve NiPd alaşım NPrsquolerinin
ABrsquonin hidrolizindeki aktivitelerini goumlz oumlnuumlne alarak bu tez ccedilalışmasında İGOrsquoya
desteklenmiş CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinliklerini
inceledik Bu tez ccedilalışması CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde test edilmesi
youmlnuumlnden literatuumlrde ilk oumlrnektir Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri
Cu(acac)2 ve Pd(acac)2 başlangıccedil metal tuzlarının OAm ve ODE iccedilerisinde 80degCrsquode eş
zamanlı indirgenmesi yolu ile sentezlendi Mevcut reccedilete ile CuPd NPrsquolerinin
kompozisyon kontrolluuml sentezi gerccedilekleştirildi ve CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı
kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25) sentezlendi CuPd alaşım NPrsquolerinin
sentezlenen uumlccedil farklı kompozisyonu İGOrsquoya desteklendi ve ABrsquonin hidrolizinde
katalizoumlr olarak test edildi Test edilen kompozisyonlar arasında en yuumlksek katalitik
3
etkinliği 131dk-1
ccedilevrim frekansı ile İGO-Cu75Pd25 goumlsterdi İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruumlnuumln katalitik etkinliği 400degCrsquode Ar-H2(5H2) gaz atmosferinde 1 saat
tavlama yolu ile 299dk-1
ccedilevrim frekansına artırıldı Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile
hidrolizindeki kinetiği katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak
ccedilalışılarak tepkimenin hız yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
4
2 KAYNAK OumlZETLERİ
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri
Periyodik cetvelin sol uumlst koumlşesinde yer alan hidrojenin ccedilekirdeğinde bir proton ve dış
youmlruumlngesinde bir elektron vardır En hafif element olarak bilinen hidrojenin atomik
kuumltlesi 100794gmolrsquoduumlr Standart sıcaklık ve basınccedil altında hidrojen renksiz kokusuz
tatsız metalik olmayan yoğunluğu havadan 144 kez daha hafif olan bir elementtir
Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz bileşikler halinde bulunur En ccedilok bilinen
bileşiği ise sudur Temiz enerji taşıyıcı olarak hidrojen kuumltle bazında yuumlksek bir spesifik
enerjiye sahiptir (oumlrneğin hidrojenin 95kg enerji iccedileriği benzinin 25kg enerjisine
eşdeğerdir) Hidrojen doğalgaz koumlmuumlr ağır hidrokarbonların gazlaştırılması buhar
reformasyonu suyun elektrolizi termokimyasal ayrışma gibi birccedilok teknikle ile elde
edilebilir (Momirlan and Veziroğlu 2005)
Bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin kullanılması CO2 emisyonlarını azaltmak iccedilin
uzun vadeli bir seccedilenektir Yenilenebilir enerji kaynaklarından uumlretilen hidrojen
gelecekteki enerji ihtiyacının buumlyuumlk boumlluumlmuumlnuuml karşılayıp ccedilevre kirliliğinin oumlnuumlne
geccedilecektir
Hidrojen petrokimya gıda mikroelektronik demir ve polimer sentezinde kimyasal
hammadde olarak kullanılan sistemlerde enerji taşıyıcı olarak avantajlı ve temiz
suumlrduumlruumllebilir enerji sistemlerinde kullanılmaktadır (Midilli et al 2005) Aynı zamanda
organik sentezlerde de yaygın olarak kullanılan bir indirgendir
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir Fakat doğada saf halde bulunmaz diğer
elementlerle bileşikler halinde bulunur
5
Bu yuumlzden hidrojenin uumlretimi iccedilin birccedilok metot bulunmaktadır Aşağıda hidrojen uumlretim
metodlarının en yaygın olanlarından kısaca bahsedilmektedir
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması
Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500degC sıcaklığa kadar olan suumlreccedil
piroliz safhası olup burada karbon gazlar ve katran elde edilir Yuumlksek sıcaklık ve
basınccedil uygulandığında karbon su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 uumlretilir
(Besancon et al 2009)
211b Buhar reformasyonu
Hidrojen uumlretimi iccedilin en yaygın olarak kullanılan youmlntemdir Reaksiyon yuumlksek basınccedil
ve sıcaklıkta Ni katalizoumlruuml eşliğinde gerccedilekleşir Endotermik bir reaksiyon olup ihtiyaccedil
duyulan enerjinin bir kısmı metan gazının yanması ile elde edilir (Kothari et al 2008)
211c Kvaerner youmlntemi
Bu teknik yuumlksek sıcaklıklarda hidrokarbonlardan elektrik akımı geccedilirilerek aktif
karbon ve hidrojen uumlretiminin gerccedilekleştirilmesi esasına dayanır Suumlreccedil sonunda CO2
oluşmaması diğer youmlntemlere goumlre bir avantaj sağlar Oluşan mevcut enerjinin yaklaşık
olarak 40rsquoını aktif karbon (AC) 48rsquoini hidrojen ve 10rsquonunu su buharı oluşturur
CH4 H2O CO +
CO H2O CO2 H2 +
CO 3H2 CH4 H2 +
3H2
CnH
m Enerji nC m2 H
2 + +
+
+
+
6
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu katalizoumlre ihtiyaccedil olmadan duumlşuumlk basınccedil altında
gerccedilekleşir Kısmi oksidasyon işleminin dezavantajı ise ortama CO2 ile birlikte aynı
zamanda CO gazı accedilığa ccedilıkarmasıdır Ccedilıkan CO gazıda elde edilen hidrojenin kullanım
alanını kısıtlamaktadır Ortalama verim 50 civarındadır (Dinccediler 2002)
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses
211e Suyun elektrolizi
Sudan elektrik akımı geccedilirerek su molekuumlllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını
sağlar Bu teknik hidrojen uumlretimi iccedilin bilinen en kolay youmlntemdir Hidrojen uumlretiminde
atmosfere herhangi bir kirletici gaz accedilığa ccedilıkarmadığından dolayı diğer youmlntemlere goumlre
avantajlı fakat fosil yakıtlara goumlre yuumlksek maliyetlidir (Acar and Dinccediler 2014) Ancak
elektroliz iccedilin gereken enerji yine fosil yakıtlardan sağlandığı iccedilin gelecekte yaygın
kullanımı konusunda şuumlpheler vardır
211f Suyun termal bozulması
Su buharının hidrojen ve oksijene ayrılması iccedilin ısının kullanıldığı bir metottur Basit
bir uygulamadır Suyun ccedilok yuumlksek sıcaklığa (3400K) ısıtılması ile doumlnuumlşuumlm gerccedilekleşir
(Dinccediler 2002)
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
vi
SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ
Ar-H2 Argon-Hidrojen
C60 Fulleren
CO Karbonmonoksit
CO2 Karbondioksit
CoPd Kobalt Paladyum
Cu Bakır
Cu(acac)2 Bakır(II) asetilasetonat
CuRu Bakır Rutenyum
Ea Aktivasyon Enerjisi
K Kelvin
Kgoumlzlenen Goumlzlenen Hız Sabiti
nano-Al2O3 Aluumlminyum Oksit
NiPd Nikel Paladyum
Pd Paladyum
Pd(acac)2 Paladyum(II) asetilasetonat
PtRu Platin Rutenyum
Kısaltmalar
AB Amonyak Boran
AC Aktif karbon
11B-NMR Bor Nuumlkleer Manyetik Rezonans
DMF NN Dimetilformamid
ICP-MS Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer (İnduumlktif Eşleşmiş
Plazma Optik Emisyon Spektrometresi)
İGO İndirgenmiş grafen oksit
İGO-CuPd İndirgenmiş grafen oksite destekli bakır paladyum nanopartikuumllleri
MB Morfolin boran
nm Nanometre
vii
NP Nanopartikuumll
OAm Oleyilamin
ODE Oktadesen
PVP Poli (N-vinil-2-pirolidon)
TEM Transmission Electron Microscopy (Geccedilirimli Elektron Mikroskopu)
TOF Turnover Frequency (Ccedilevrim Frekansı)
TON Turnover Number (Ccedilevrim sayısı)
TTON Total Turnover Number (Toplam Ccedilevrim sayısı)
XRD X-ray Diffruction (X ışınları kırınımı spektroskopisi)
viii
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses 6
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi 7
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr 9
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce
iccedilerdikleri hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması 11
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı 11
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi 13
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri 14
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim 15
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi 16
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP
oluşumu 17
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik
etkileşimi goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak
kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi 18
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması 19
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler 20
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar 21
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması 22
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi 24
Şekil 217 Grafen yapısı 26
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi 27
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi 30
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması 31
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması 32
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı 33
ix
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı
akışında tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi 35
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini
oumllccedilmeyi sağlayan sistem 36
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri 38
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri 39
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25
NPrsquolerin TEM goumlruumlntuumlleri 40
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25
NPrsquolerine ait XRD desenleri 41
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise
başlangıccedil TOF değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini
goumlsterir 42
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 43
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz
karışımı altında 400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen
yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 44
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml 45
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin
25plusmn05degCrsquode gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen
gazının mol miktarının zamana karşı grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı
ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir 46
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının
mol miktarının zaman karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB]
grafiğini goumlstermektedir 47
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM
ABrsquonin hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının
zamana karşı grafiği 48
x
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği 49
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin
zamana karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği 50
xi
CcedilİZELGELER DİZİNİ
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması 25
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri
ve elde edilen TOF değerleri 52
1
1 GİRİŞ
Duumlnya enerji ihtiyacının buumlyuumlk bir kısmını fosil yakıtlardan karşılamaktadır Fosil
yakıtların yoğun bir şekilde kullanılması sonucu atmosfere salınan başta CO2 olmak
uumlzere zararlı sera gazları hava kirliliğine ve kuumlresel ısınmaya sebep olmaktadır Hava
kirliliğini ve kuumlresel ısınmayı oumlnlemek amacıyla fosil yakıtlara alternatif olarak ruumlzgar
ve guumlneş enerjisi başta olmak uumlzere yenilenebilir enerji kaynakları uumlzerine
ccedilalışılmaktadır Ancak bu yenilenebilir enerji kaynaklarında en buumlyuumlk sorun suumlreksiz
olmaları ve kurulum maliyetlerinin yuumlksek olmasıdır Bu nedenle yenilenebilir enerji
kaynaklarına alternatif olarak hidrojenin enerji taşıyıcı olarak kullanılması avantajlıdır
Temiz bir enerji taşıyıcısı olan hidrojen son zamanlardaki bilimsel ve teknolojik
gelişmeler sayesinde guumlnluumlk uygulamalarda yerini almıştır Taşınabilir yakıt huumlcresi
teknolojilerinin yanı sıra ccedileşitli otomobil şirketleri 2015 yılında satış iccedilin hidrojen
yakıtlı araccedilların uumlretimini accedilıklamışlardır (Laird 2014) Hidrojen duumlnya ccedilapında gelecek
iccedilin enerji sorunlarının ccediloumlzuumlmuuml olarak kabul edilmektedir (Stetson 2013)
Hidrojen ekonomisinde son yıllarda meydana gelen oumlnemli gelişmelere rağmen halen
hidrojenin guumlnluumlk kullanımına youmlnelik oumlnemli teknolojik ve ekonomik engeller
bulunmaktadır (Stetson 2013) Buguumlne kadar ccedilok sayıda depolama teknikleri
geliştirilmiş olmasına rağmen hidrojenin guumlvenli depolanması ve kontrolluuml bir şekilde
salıverilmesi suumlregelen ccediloumlzuumllememiş sorunlar arasında en oumlnemlisidir Depolama
sorununa ccediloumlzuumlm olarak hidrojeni katı fazda kimyasal bileşik halinde depolama en ccedilok
incelenen teknolojilerden biridir AB kompleksi (H3NBH3) şimdiye kadar test edilen
kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında gravimetrik ve hacimsel olarak en
yuumlksek hidrojen iccedileriğine sahiptir Duumlşuumlk molekuumll ağırlığı zehirsiz olması ve ccediloumlzelti
iccedilerisinde kararlı olarak bulunması ABrsquonin diğer depolama malzemelerine goumlre
avantajlarıdır (Stephens et al 2007) AB uygun katalizoumlr varlığında hidroliz yolu ile oda
sıcaklığında tuumlm hidrojenini kolayca salıveririr Aşağıda ABrsquonin hidroliz tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
)(3H)()BONH()( O2H)(NBHH 224233 gsulussuluKatalizoumlr
2
Buguumlne kadar ccedileşitli katalizoumlrler ABrsquonin hidroliziyle test edilmiştir AB hidrolizinde en
yuumlksek hidrojen gazı salınımını soy metaller (Pt Ru Rh Pd) ya da bu metallerin
bimetalik formundaki katalizoumlrler goumlstermiştir Soy metaller arasında Pd diğerlerine
goumlre daha ucuz olması ve ABrsquonin dehidrojenlenmesinde umut vaat eden aktivitesi ile en
iyi seccedilenek olarak kabul edilmektedir
Diğer taraftan birinci sıra geccediliş metalleri (Fe Co Ni Cu) varlığında Pdrsquonin bimetalik
NPrsquolerinin hazırlanmasıyla daha ekonomik ve daha aktif Pd katalizoumlrlerin sentezi
gerccedilekleştirilir Literatuumlrde karbon destekli CoPd (Sun et al 2011) ve İGO destekli
NiPd alaşım NPrsquolerinin (Ccediliftci and Metin 2014) ABrsquonin hidrolitik
dehidrojenlenmesinde yuumlksek katalitik etkinliğe sahip katalizoumlrler oldukları grubumuz
tarafından bildirildi Ancak ABrsquonin dehidrojenlenmesi uumlzerine detaylı bir literatuumlr
taraması yapıldığında Cu esaslı katalizoumlrlerin ABrsquonin hidrolizinde sınırlı sayıda
ccedilalışılmış olduğu ve aktivitelerinin duumlşuumlk olduğu goumlruumllmektedir Oumlrneğin İGO-Cu
katalizoumlruuml (Yang et al 2014) ABrsquonin hidrolizindeki ccedilevrim frekansının (TOF) 361dk-1
olduğu bildirilmiştir Bununla birlikte İGO-CuRu alaşım NPrsquolerinin (Cao et al 2014)
AB ile hidrolizinde TOF değeri 135dk-1
olarak bildirilmiştir Bu ve buna benzer
ccedilalışmalar bize bir soy metal ile ucuz olan Cursquonun bimetalik NPrsquolerinin hazırlanması ile
ABrsquonin hidrolizi iccedilin etkin ve ekonomik katalizoumlrler geliştirilebileceğini goumlstermektedir
Biz de bu motivasyon ve daha oumlnce bildirdiğimiz CoPd ve NiPd alaşım NPrsquolerinin
ABrsquonin hidrolizindeki aktivitelerini goumlz oumlnuumlne alarak bu tez ccedilalışmasında İGOrsquoya
desteklenmiş CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinliklerini
inceledik Bu tez ccedilalışması CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde test edilmesi
youmlnuumlnden literatuumlrde ilk oumlrnektir Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri
Cu(acac)2 ve Pd(acac)2 başlangıccedil metal tuzlarının OAm ve ODE iccedilerisinde 80degCrsquode eş
zamanlı indirgenmesi yolu ile sentezlendi Mevcut reccedilete ile CuPd NPrsquolerinin
kompozisyon kontrolluuml sentezi gerccedilekleştirildi ve CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı
kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25) sentezlendi CuPd alaşım NPrsquolerinin
sentezlenen uumlccedil farklı kompozisyonu İGOrsquoya desteklendi ve ABrsquonin hidrolizinde
katalizoumlr olarak test edildi Test edilen kompozisyonlar arasında en yuumlksek katalitik
3
etkinliği 131dk-1
ccedilevrim frekansı ile İGO-Cu75Pd25 goumlsterdi İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruumlnuumln katalitik etkinliği 400degCrsquode Ar-H2(5H2) gaz atmosferinde 1 saat
tavlama yolu ile 299dk-1
ccedilevrim frekansına artırıldı Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile
hidrolizindeki kinetiği katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak
ccedilalışılarak tepkimenin hız yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
4
2 KAYNAK OumlZETLERİ
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri
Periyodik cetvelin sol uumlst koumlşesinde yer alan hidrojenin ccedilekirdeğinde bir proton ve dış
youmlruumlngesinde bir elektron vardır En hafif element olarak bilinen hidrojenin atomik
kuumltlesi 100794gmolrsquoduumlr Standart sıcaklık ve basınccedil altında hidrojen renksiz kokusuz
tatsız metalik olmayan yoğunluğu havadan 144 kez daha hafif olan bir elementtir
Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz bileşikler halinde bulunur En ccedilok bilinen
bileşiği ise sudur Temiz enerji taşıyıcı olarak hidrojen kuumltle bazında yuumlksek bir spesifik
enerjiye sahiptir (oumlrneğin hidrojenin 95kg enerji iccedileriği benzinin 25kg enerjisine
eşdeğerdir) Hidrojen doğalgaz koumlmuumlr ağır hidrokarbonların gazlaştırılması buhar
reformasyonu suyun elektrolizi termokimyasal ayrışma gibi birccedilok teknikle ile elde
edilebilir (Momirlan and Veziroğlu 2005)
Bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin kullanılması CO2 emisyonlarını azaltmak iccedilin
uzun vadeli bir seccedilenektir Yenilenebilir enerji kaynaklarından uumlretilen hidrojen
gelecekteki enerji ihtiyacının buumlyuumlk boumlluumlmuumlnuuml karşılayıp ccedilevre kirliliğinin oumlnuumlne
geccedilecektir
Hidrojen petrokimya gıda mikroelektronik demir ve polimer sentezinde kimyasal
hammadde olarak kullanılan sistemlerde enerji taşıyıcı olarak avantajlı ve temiz
suumlrduumlruumllebilir enerji sistemlerinde kullanılmaktadır (Midilli et al 2005) Aynı zamanda
organik sentezlerde de yaygın olarak kullanılan bir indirgendir
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir Fakat doğada saf halde bulunmaz diğer
elementlerle bileşikler halinde bulunur
5
Bu yuumlzden hidrojenin uumlretimi iccedilin birccedilok metot bulunmaktadır Aşağıda hidrojen uumlretim
metodlarının en yaygın olanlarından kısaca bahsedilmektedir
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması
Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500degC sıcaklığa kadar olan suumlreccedil
piroliz safhası olup burada karbon gazlar ve katran elde edilir Yuumlksek sıcaklık ve
basınccedil uygulandığında karbon su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 uumlretilir
(Besancon et al 2009)
211b Buhar reformasyonu
Hidrojen uumlretimi iccedilin en yaygın olarak kullanılan youmlntemdir Reaksiyon yuumlksek basınccedil
ve sıcaklıkta Ni katalizoumlruuml eşliğinde gerccedilekleşir Endotermik bir reaksiyon olup ihtiyaccedil
duyulan enerjinin bir kısmı metan gazının yanması ile elde edilir (Kothari et al 2008)
211c Kvaerner youmlntemi
Bu teknik yuumlksek sıcaklıklarda hidrokarbonlardan elektrik akımı geccedilirilerek aktif
karbon ve hidrojen uumlretiminin gerccedilekleştirilmesi esasına dayanır Suumlreccedil sonunda CO2
oluşmaması diğer youmlntemlere goumlre bir avantaj sağlar Oluşan mevcut enerjinin yaklaşık
olarak 40rsquoını aktif karbon (AC) 48rsquoini hidrojen ve 10rsquonunu su buharı oluşturur
CH4 H2O CO +
CO H2O CO2 H2 +
CO 3H2 CH4 H2 +
3H2
CnH
m Enerji nC m2 H
2 + +
+
+
+
6
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu katalizoumlre ihtiyaccedil olmadan duumlşuumlk basınccedil altında
gerccedilekleşir Kısmi oksidasyon işleminin dezavantajı ise ortama CO2 ile birlikte aynı
zamanda CO gazı accedilığa ccedilıkarmasıdır Ccedilıkan CO gazıda elde edilen hidrojenin kullanım
alanını kısıtlamaktadır Ortalama verim 50 civarındadır (Dinccediler 2002)
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses
211e Suyun elektrolizi
Sudan elektrik akımı geccedilirerek su molekuumlllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını
sağlar Bu teknik hidrojen uumlretimi iccedilin bilinen en kolay youmlntemdir Hidrojen uumlretiminde
atmosfere herhangi bir kirletici gaz accedilığa ccedilıkarmadığından dolayı diğer youmlntemlere goumlre
avantajlı fakat fosil yakıtlara goumlre yuumlksek maliyetlidir (Acar and Dinccediler 2014) Ancak
elektroliz iccedilin gereken enerji yine fosil yakıtlardan sağlandığı iccedilin gelecekte yaygın
kullanımı konusunda şuumlpheler vardır
211f Suyun termal bozulması
Su buharının hidrojen ve oksijene ayrılması iccedilin ısının kullanıldığı bir metottur Basit
bir uygulamadır Suyun ccedilok yuumlksek sıcaklığa (3400K) ısıtılması ile doumlnuumlşuumlm gerccedilekleşir
(Dinccediler 2002)
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
vii
NP Nanopartikuumll
OAm Oleyilamin
ODE Oktadesen
PVP Poli (N-vinil-2-pirolidon)
TEM Transmission Electron Microscopy (Geccedilirimli Elektron Mikroskopu)
TOF Turnover Frequency (Ccedilevrim Frekansı)
TON Turnover Number (Ccedilevrim sayısı)
TTON Total Turnover Number (Toplam Ccedilevrim sayısı)
XRD X-ray Diffruction (X ışınları kırınımı spektroskopisi)
viii
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses 6
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi 7
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr 9
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce
iccedilerdikleri hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması 11
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı 11
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi 13
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri 14
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim 15
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi 16
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP
oluşumu 17
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik
etkileşimi goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak
kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi 18
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması 19
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler 20
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar 21
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması 22
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi 24
Şekil 217 Grafen yapısı 26
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi 27
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi 30
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması 31
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması 32
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı 33
ix
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı
akışında tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi 35
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini
oumllccedilmeyi sağlayan sistem 36
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri 38
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri 39
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25
NPrsquolerin TEM goumlruumlntuumlleri 40
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25
NPrsquolerine ait XRD desenleri 41
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise
başlangıccedil TOF değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini
goumlsterir 42
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 43
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz
karışımı altında 400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen
yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 44
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml 45
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin
25plusmn05degCrsquode gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen
gazının mol miktarının zamana karşı grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı
ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir 46
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının
mol miktarının zaman karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB]
grafiğini goumlstermektedir 47
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM
ABrsquonin hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının
zamana karşı grafiği 48
x
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği 49
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin
zamana karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği 50
xi
CcedilİZELGELER DİZİNİ
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması 25
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri
ve elde edilen TOF değerleri 52
1
1 GİRİŞ
Duumlnya enerji ihtiyacının buumlyuumlk bir kısmını fosil yakıtlardan karşılamaktadır Fosil
yakıtların yoğun bir şekilde kullanılması sonucu atmosfere salınan başta CO2 olmak
uumlzere zararlı sera gazları hava kirliliğine ve kuumlresel ısınmaya sebep olmaktadır Hava
kirliliğini ve kuumlresel ısınmayı oumlnlemek amacıyla fosil yakıtlara alternatif olarak ruumlzgar
ve guumlneş enerjisi başta olmak uumlzere yenilenebilir enerji kaynakları uumlzerine
ccedilalışılmaktadır Ancak bu yenilenebilir enerji kaynaklarında en buumlyuumlk sorun suumlreksiz
olmaları ve kurulum maliyetlerinin yuumlksek olmasıdır Bu nedenle yenilenebilir enerji
kaynaklarına alternatif olarak hidrojenin enerji taşıyıcı olarak kullanılması avantajlıdır
Temiz bir enerji taşıyıcısı olan hidrojen son zamanlardaki bilimsel ve teknolojik
gelişmeler sayesinde guumlnluumlk uygulamalarda yerini almıştır Taşınabilir yakıt huumlcresi
teknolojilerinin yanı sıra ccedileşitli otomobil şirketleri 2015 yılında satış iccedilin hidrojen
yakıtlı araccedilların uumlretimini accedilıklamışlardır (Laird 2014) Hidrojen duumlnya ccedilapında gelecek
iccedilin enerji sorunlarının ccediloumlzuumlmuuml olarak kabul edilmektedir (Stetson 2013)
Hidrojen ekonomisinde son yıllarda meydana gelen oumlnemli gelişmelere rağmen halen
hidrojenin guumlnluumlk kullanımına youmlnelik oumlnemli teknolojik ve ekonomik engeller
bulunmaktadır (Stetson 2013) Buguumlne kadar ccedilok sayıda depolama teknikleri
geliştirilmiş olmasına rağmen hidrojenin guumlvenli depolanması ve kontrolluuml bir şekilde
salıverilmesi suumlregelen ccediloumlzuumllememiş sorunlar arasında en oumlnemlisidir Depolama
sorununa ccediloumlzuumlm olarak hidrojeni katı fazda kimyasal bileşik halinde depolama en ccedilok
incelenen teknolojilerden biridir AB kompleksi (H3NBH3) şimdiye kadar test edilen
kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında gravimetrik ve hacimsel olarak en
yuumlksek hidrojen iccedileriğine sahiptir Duumlşuumlk molekuumll ağırlığı zehirsiz olması ve ccediloumlzelti
iccedilerisinde kararlı olarak bulunması ABrsquonin diğer depolama malzemelerine goumlre
avantajlarıdır (Stephens et al 2007) AB uygun katalizoumlr varlığında hidroliz yolu ile oda
sıcaklığında tuumlm hidrojenini kolayca salıveririr Aşağıda ABrsquonin hidroliz tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
)(3H)()BONH()( O2H)(NBHH 224233 gsulussuluKatalizoumlr
2
Buguumlne kadar ccedileşitli katalizoumlrler ABrsquonin hidroliziyle test edilmiştir AB hidrolizinde en
yuumlksek hidrojen gazı salınımını soy metaller (Pt Ru Rh Pd) ya da bu metallerin
bimetalik formundaki katalizoumlrler goumlstermiştir Soy metaller arasında Pd diğerlerine
goumlre daha ucuz olması ve ABrsquonin dehidrojenlenmesinde umut vaat eden aktivitesi ile en
iyi seccedilenek olarak kabul edilmektedir
Diğer taraftan birinci sıra geccediliş metalleri (Fe Co Ni Cu) varlığında Pdrsquonin bimetalik
NPrsquolerinin hazırlanmasıyla daha ekonomik ve daha aktif Pd katalizoumlrlerin sentezi
gerccedilekleştirilir Literatuumlrde karbon destekli CoPd (Sun et al 2011) ve İGO destekli
NiPd alaşım NPrsquolerinin (Ccediliftci and Metin 2014) ABrsquonin hidrolitik
dehidrojenlenmesinde yuumlksek katalitik etkinliğe sahip katalizoumlrler oldukları grubumuz
tarafından bildirildi Ancak ABrsquonin dehidrojenlenmesi uumlzerine detaylı bir literatuumlr
taraması yapıldığında Cu esaslı katalizoumlrlerin ABrsquonin hidrolizinde sınırlı sayıda
ccedilalışılmış olduğu ve aktivitelerinin duumlşuumlk olduğu goumlruumllmektedir Oumlrneğin İGO-Cu
katalizoumlruuml (Yang et al 2014) ABrsquonin hidrolizindeki ccedilevrim frekansının (TOF) 361dk-1
olduğu bildirilmiştir Bununla birlikte İGO-CuRu alaşım NPrsquolerinin (Cao et al 2014)
AB ile hidrolizinde TOF değeri 135dk-1
olarak bildirilmiştir Bu ve buna benzer
ccedilalışmalar bize bir soy metal ile ucuz olan Cursquonun bimetalik NPrsquolerinin hazırlanması ile
ABrsquonin hidrolizi iccedilin etkin ve ekonomik katalizoumlrler geliştirilebileceğini goumlstermektedir
Biz de bu motivasyon ve daha oumlnce bildirdiğimiz CoPd ve NiPd alaşım NPrsquolerinin
ABrsquonin hidrolizindeki aktivitelerini goumlz oumlnuumlne alarak bu tez ccedilalışmasında İGOrsquoya
desteklenmiş CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinliklerini
inceledik Bu tez ccedilalışması CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde test edilmesi
youmlnuumlnden literatuumlrde ilk oumlrnektir Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri
Cu(acac)2 ve Pd(acac)2 başlangıccedil metal tuzlarının OAm ve ODE iccedilerisinde 80degCrsquode eş
zamanlı indirgenmesi yolu ile sentezlendi Mevcut reccedilete ile CuPd NPrsquolerinin
kompozisyon kontrolluuml sentezi gerccedilekleştirildi ve CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı
kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25) sentezlendi CuPd alaşım NPrsquolerinin
sentezlenen uumlccedil farklı kompozisyonu İGOrsquoya desteklendi ve ABrsquonin hidrolizinde
katalizoumlr olarak test edildi Test edilen kompozisyonlar arasında en yuumlksek katalitik
3
etkinliği 131dk-1
ccedilevrim frekansı ile İGO-Cu75Pd25 goumlsterdi İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruumlnuumln katalitik etkinliği 400degCrsquode Ar-H2(5H2) gaz atmosferinde 1 saat
tavlama yolu ile 299dk-1
ccedilevrim frekansına artırıldı Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile
hidrolizindeki kinetiği katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak
ccedilalışılarak tepkimenin hız yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
4
2 KAYNAK OumlZETLERİ
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri
Periyodik cetvelin sol uumlst koumlşesinde yer alan hidrojenin ccedilekirdeğinde bir proton ve dış
youmlruumlngesinde bir elektron vardır En hafif element olarak bilinen hidrojenin atomik
kuumltlesi 100794gmolrsquoduumlr Standart sıcaklık ve basınccedil altında hidrojen renksiz kokusuz
tatsız metalik olmayan yoğunluğu havadan 144 kez daha hafif olan bir elementtir
Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz bileşikler halinde bulunur En ccedilok bilinen
bileşiği ise sudur Temiz enerji taşıyıcı olarak hidrojen kuumltle bazında yuumlksek bir spesifik
enerjiye sahiptir (oumlrneğin hidrojenin 95kg enerji iccedileriği benzinin 25kg enerjisine
eşdeğerdir) Hidrojen doğalgaz koumlmuumlr ağır hidrokarbonların gazlaştırılması buhar
reformasyonu suyun elektrolizi termokimyasal ayrışma gibi birccedilok teknikle ile elde
edilebilir (Momirlan and Veziroğlu 2005)
Bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin kullanılması CO2 emisyonlarını azaltmak iccedilin
uzun vadeli bir seccedilenektir Yenilenebilir enerji kaynaklarından uumlretilen hidrojen
gelecekteki enerji ihtiyacının buumlyuumlk boumlluumlmuumlnuuml karşılayıp ccedilevre kirliliğinin oumlnuumlne
geccedilecektir
Hidrojen petrokimya gıda mikroelektronik demir ve polimer sentezinde kimyasal
hammadde olarak kullanılan sistemlerde enerji taşıyıcı olarak avantajlı ve temiz
suumlrduumlruumllebilir enerji sistemlerinde kullanılmaktadır (Midilli et al 2005) Aynı zamanda
organik sentezlerde de yaygın olarak kullanılan bir indirgendir
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir Fakat doğada saf halde bulunmaz diğer
elementlerle bileşikler halinde bulunur
5
Bu yuumlzden hidrojenin uumlretimi iccedilin birccedilok metot bulunmaktadır Aşağıda hidrojen uumlretim
metodlarının en yaygın olanlarından kısaca bahsedilmektedir
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması
Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500degC sıcaklığa kadar olan suumlreccedil
piroliz safhası olup burada karbon gazlar ve katran elde edilir Yuumlksek sıcaklık ve
basınccedil uygulandığında karbon su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 uumlretilir
(Besancon et al 2009)
211b Buhar reformasyonu
Hidrojen uumlretimi iccedilin en yaygın olarak kullanılan youmlntemdir Reaksiyon yuumlksek basınccedil
ve sıcaklıkta Ni katalizoumlruuml eşliğinde gerccedilekleşir Endotermik bir reaksiyon olup ihtiyaccedil
duyulan enerjinin bir kısmı metan gazının yanması ile elde edilir (Kothari et al 2008)
211c Kvaerner youmlntemi
Bu teknik yuumlksek sıcaklıklarda hidrokarbonlardan elektrik akımı geccedilirilerek aktif
karbon ve hidrojen uumlretiminin gerccedilekleştirilmesi esasına dayanır Suumlreccedil sonunda CO2
oluşmaması diğer youmlntemlere goumlre bir avantaj sağlar Oluşan mevcut enerjinin yaklaşık
olarak 40rsquoını aktif karbon (AC) 48rsquoini hidrojen ve 10rsquonunu su buharı oluşturur
CH4 H2O CO +
CO H2O CO2 H2 +
CO 3H2 CH4 H2 +
3H2
CnH
m Enerji nC m2 H
2 + +
+
+
+
6
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu katalizoumlre ihtiyaccedil olmadan duumlşuumlk basınccedil altında
gerccedilekleşir Kısmi oksidasyon işleminin dezavantajı ise ortama CO2 ile birlikte aynı
zamanda CO gazı accedilığa ccedilıkarmasıdır Ccedilıkan CO gazıda elde edilen hidrojenin kullanım
alanını kısıtlamaktadır Ortalama verim 50 civarındadır (Dinccediler 2002)
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses
211e Suyun elektrolizi
Sudan elektrik akımı geccedilirerek su molekuumlllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını
sağlar Bu teknik hidrojen uumlretimi iccedilin bilinen en kolay youmlntemdir Hidrojen uumlretiminde
atmosfere herhangi bir kirletici gaz accedilığa ccedilıkarmadığından dolayı diğer youmlntemlere goumlre
avantajlı fakat fosil yakıtlara goumlre yuumlksek maliyetlidir (Acar and Dinccediler 2014) Ancak
elektroliz iccedilin gereken enerji yine fosil yakıtlardan sağlandığı iccedilin gelecekte yaygın
kullanımı konusunda şuumlpheler vardır
211f Suyun termal bozulması
Su buharının hidrojen ve oksijene ayrılması iccedilin ısının kullanıldığı bir metottur Basit
bir uygulamadır Suyun ccedilok yuumlksek sıcaklığa (3400K) ısıtılması ile doumlnuumlşuumlm gerccedilekleşir
(Dinccediler 2002)
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
viii
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses 6
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi 7
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr 9
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce
iccedilerdikleri hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması 11
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı 11
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi 13
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri 14
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim 15
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi 16
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP
oluşumu 17
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik
etkileşimi goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak
kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi 18
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması 19
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler 20
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar 21
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması 22
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi 24
Şekil 217 Grafen yapısı 26
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi 27
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi 30
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması 31
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması 32
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı 33
ix
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı
akışında tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi 35
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini
oumllccedilmeyi sağlayan sistem 36
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri 38
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri 39
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25
NPrsquolerin TEM goumlruumlntuumlleri 40
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25
NPrsquolerine ait XRD desenleri 41
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise
başlangıccedil TOF değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini
goumlsterir 42
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 43
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz
karışımı altında 400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen
yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 44
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml 45
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin
25plusmn05degCrsquode gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen
gazının mol miktarının zamana karşı grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı
ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir 46
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının
mol miktarının zaman karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB]
grafiğini goumlstermektedir 47
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM
ABrsquonin hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının
zamana karşı grafiği 48
x
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği 49
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin
zamana karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği 50
xi
CcedilİZELGELER DİZİNİ
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması 25
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri
ve elde edilen TOF değerleri 52
1
1 GİRİŞ
Duumlnya enerji ihtiyacının buumlyuumlk bir kısmını fosil yakıtlardan karşılamaktadır Fosil
yakıtların yoğun bir şekilde kullanılması sonucu atmosfere salınan başta CO2 olmak
uumlzere zararlı sera gazları hava kirliliğine ve kuumlresel ısınmaya sebep olmaktadır Hava
kirliliğini ve kuumlresel ısınmayı oumlnlemek amacıyla fosil yakıtlara alternatif olarak ruumlzgar
ve guumlneş enerjisi başta olmak uumlzere yenilenebilir enerji kaynakları uumlzerine
ccedilalışılmaktadır Ancak bu yenilenebilir enerji kaynaklarında en buumlyuumlk sorun suumlreksiz
olmaları ve kurulum maliyetlerinin yuumlksek olmasıdır Bu nedenle yenilenebilir enerji
kaynaklarına alternatif olarak hidrojenin enerji taşıyıcı olarak kullanılması avantajlıdır
Temiz bir enerji taşıyıcısı olan hidrojen son zamanlardaki bilimsel ve teknolojik
gelişmeler sayesinde guumlnluumlk uygulamalarda yerini almıştır Taşınabilir yakıt huumlcresi
teknolojilerinin yanı sıra ccedileşitli otomobil şirketleri 2015 yılında satış iccedilin hidrojen
yakıtlı araccedilların uumlretimini accedilıklamışlardır (Laird 2014) Hidrojen duumlnya ccedilapında gelecek
iccedilin enerji sorunlarının ccediloumlzuumlmuuml olarak kabul edilmektedir (Stetson 2013)
Hidrojen ekonomisinde son yıllarda meydana gelen oumlnemli gelişmelere rağmen halen
hidrojenin guumlnluumlk kullanımına youmlnelik oumlnemli teknolojik ve ekonomik engeller
bulunmaktadır (Stetson 2013) Buguumlne kadar ccedilok sayıda depolama teknikleri
geliştirilmiş olmasına rağmen hidrojenin guumlvenli depolanması ve kontrolluuml bir şekilde
salıverilmesi suumlregelen ccediloumlzuumllememiş sorunlar arasında en oumlnemlisidir Depolama
sorununa ccediloumlzuumlm olarak hidrojeni katı fazda kimyasal bileşik halinde depolama en ccedilok
incelenen teknolojilerden biridir AB kompleksi (H3NBH3) şimdiye kadar test edilen
kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında gravimetrik ve hacimsel olarak en
yuumlksek hidrojen iccedileriğine sahiptir Duumlşuumlk molekuumll ağırlığı zehirsiz olması ve ccediloumlzelti
iccedilerisinde kararlı olarak bulunması ABrsquonin diğer depolama malzemelerine goumlre
avantajlarıdır (Stephens et al 2007) AB uygun katalizoumlr varlığında hidroliz yolu ile oda
sıcaklığında tuumlm hidrojenini kolayca salıveririr Aşağıda ABrsquonin hidroliz tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
)(3H)()BONH()( O2H)(NBHH 224233 gsulussuluKatalizoumlr
2
Buguumlne kadar ccedileşitli katalizoumlrler ABrsquonin hidroliziyle test edilmiştir AB hidrolizinde en
yuumlksek hidrojen gazı salınımını soy metaller (Pt Ru Rh Pd) ya da bu metallerin
bimetalik formundaki katalizoumlrler goumlstermiştir Soy metaller arasında Pd diğerlerine
goumlre daha ucuz olması ve ABrsquonin dehidrojenlenmesinde umut vaat eden aktivitesi ile en
iyi seccedilenek olarak kabul edilmektedir
Diğer taraftan birinci sıra geccediliş metalleri (Fe Co Ni Cu) varlığında Pdrsquonin bimetalik
NPrsquolerinin hazırlanmasıyla daha ekonomik ve daha aktif Pd katalizoumlrlerin sentezi
gerccedilekleştirilir Literatuumlrde karbon destekli CoPd (Sun et al 2011) ve İGO destekli
NiPd alaşım NPrsquolerinin (Ccediliftci and Metin 2014) ABrsquonin hidrolitik
dehidrojenlenmesinde yuumlksek katalitik etkinliğe sahip katalizoumlrler oldukları grubumuz
tarafından bildirildi Ancak ABrsquonin dehidrojenlenmesi uumlzerine detaylı bir literatuumlr
taraması yapıldığında Cu esaslı katalizoumlrlerin ABrsquonin hidrolizinde sınırlı sayıda
ccedilalışılmış olduğu ve aktivitelerinin duumlşuumlk olduğu goumlruumllmektedir Oumlrneğin İGO-Cu
katalizoumlruuml (Yang et al 2014) ABrsquonin hidrolizindeki ccedilevrim frekansının (TOF) 361dk-1
olduğu bildirilmiştir Bununla birlikte İGO-CuRu alaşım NPrsquolerinin (Cao et al 2014)
AB ile hidrolizinde TOF değeri 135dk-1
olarak bildirilmiştir Bu ve buna benzer
ccedilalışmalar bize bir soy metal ile ucuz olan Cursquonun bimetalik NPrsquolerinin hazırlanması ile
ABrsquonin hidrolizi iccedilin etkin ve ekonomik katalizoumlrler geliştirilebileceğini goumlstermektedir
Biz de bu motivasyon ve daha oumlnce bildirdiğimiz CoPd ve NiPd alaşım NPrsquolerinin
ABrsquonin hidrolizindeki aktivitelerini goumlz oumlnuumlne alarak bu tez ccedilalışmasında İGOrsquoya
desteklenmiş CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinliklerini
inceledik Bu tez ccedilalışması CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde test edilmesi
youmlnuumlnden literatuumlrde ilk oumlrnektir Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri
Cu(acac)2 ve Pd(acac)2 başlangıccedil metal tuzlarının OAm ve ODE iccedilerisinde 80degCrsquode eş
zamanlı indirgenmesi yolu ile sentezlendi Mevcut reccedilete ile CuPd NPrsquolerinin
kompozisyon kontrolluuml sentezi gerccedilekleştirildi ve CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı
kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25) sentezlendi CuPd alaşım NPrsquolerinin
sentezlenen uumlccedil farklı kompozisyonu İGOrsquoya desteklendi ve ABrsquonin hidrolizinde
katalizoumlr olarak test edildi Test edilen kompozisyonlar arasında en yuumlksek katalitik
3
etkinliği 131dk-1
ccedilevrim frekansı ile İGO-Cu75Pd25 goumlsterdi İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruumlnuumln katalitik etkinliği 400degCrsquode Ar-H2(5H2) gaz atmosferinde 1 saat
tavlama yolu ile 299dk-1
ccedilevrim frekansına artırıldı Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile
hidrolizindeki kinetiği katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak
ccedilalışılarak tepkimenin hız yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
4
2 KAYNAK OumlZETLERİ
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri
Periyodik cetvelin sol uumlst koumlşesinde yer alan hidrojenin ccedilekirdeğinde bir proton ve dış
youmlruumlngesinde bir elektron vardır En hafif element olarak bilinen hidrojenin atomik
kuumltlesi 100794gmolrsquoduumlr Standart sıcaklık ve basınccedil altında hidrojen renksiz kokusuz
tatsız metalik olmayan yoğunluğu havadan 144 kez daha hafif olan bir elementtir
Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz bileşikler halinde bulunur En ccedilok bilinen
bileşiği ise sudur Temiz enerji taşıyıcı olarak hidrojen kuumltle bazında yuumlksek bir spesifik
enerjiye sahiptir (oumlrneğin hidrojenin 95kg enerji iccedileriği benzinin 25kg enerjisine
eşdeğerdir) Hidrojen doğalgaz koumlmuumlr ağır hidrokarbonların gazlaştırılması buhar
reformasyonu suyun elektrolizi termokimyasal ayrışma gibi birccedilok teknikle ile elde
edilebilir (Momirlan and Veziroğlu 2005)
Bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin kullanılması CO2 emisyonlarını azaltmak iccedilin
uzun vadeli bir seccedilenektir Yenilenebilir enerji kaynaklarından uumlretilen hidrojen
gelecekteki enerji ihtiyacının buumlyuumlk boumlluumlmuumlnuuml karşılayıp ccedilevre kirliliğinin oumlnuumlne
geccedilecektir
Hidrojen petrokimya gıda mikroelektronik demir ve polimer sentezinde kimyasal
hammadde olarak kullanılan sistemlerde enerji taşıyıcı olarak avantajlı ve temiz
suumlrduumlruumllebilir enerji sistemlerinde kullanılmaktadır (Midilli et al 2005) Aynı zamanda
organik sentezlerde de yaygın olarak kullanılan bir indirgendir
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir Fakat doğada saf halde bulunmaz diğer
elementlerle bileşikler halinde bulunur
5
Bu yuumlzden hidrojenin uumlretimi iccedilin birccedilok metot bulunmaktadır Aşağıda hidrojen uumlretim
metodlarının en yaygın olanlarından kısaca bahsedilmektedir
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması
Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500degC sıcaklığa kadar olan suumlreccedil
piroliz safhası olup burada karbon gazlar ve katran elde edilir Yuumlksek sıcaklık ve
basınccedil uygulandığında karbon su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 uumlretilir
(Besancon et al 2009)
211b Buhar reformasyonu
Hidrojen uumlretimi iccedilin en yaygın olarak kullanılan youmlntemdir Reaksiyon yuumlksek basınccedil
ve sıcaklıkta Ni katalizoumlruuml eşliğinde gerccedilekleşir Endotermik bir reaksiyon olup ihtiyaccedil
duyulan enerjinin bir kısmı metan gazının yanması ile elde edilir (Kothari et al 2008)
211c Kvaerner youmlntemi
Bu teknik yuumlksek sıcaklıklarda hidrokarbonlardan elektrik akımı geccedilirilerek aktif
karbon ve hidrojen uumlretiminin gerccedilekleştirilmesi esasına dayanır Suumlreccedil sonunda CO2
oluşmaması diğer youmlntemlere goumlre bir avantaj sağlar Oluşan mevcut enerjinin yaklaşık
olarak 40rsquoını aktif karbon (AC) 48rsquoini hidrojen ve 10rsquonunu su buharı oluşturur
CH4 H2O CO +
CO H2O CO2 H2 +
CO 3H2 CH4 H2 +
3H2
CnH
m Enerji nC m2 H
2 + +
+
+
+
6
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu katalizoumlre ihtiyaccedil olmadan duumlşuumlk basınccedil altında
gerccedilekleşir Kısmi oksidasyon işleminin dezavantajı ise ortama CO2 ile birlikte aynı
zamanda CO gazı accedilığa ccedilıkarmasıdır Ccedilıkan CO gazıda elde edilen hidrojenin kullanım
alanını kısıtlamaktadır Ortalama verim 50 civarındadır (Dinccediler 2002)
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses
211e Suyun elektrolizi
Sudan elektrik akımı geccedilirerek su molekuumlllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını
sağlar Bu teknik hidrojen uumlretimi iccedilin bilinen en kolay youmlntemdir Hidrojen uumlretiminde
atmosfere herhangi bir kirletici gaz accedilığa ccedilıkarmadığından dolayı diğer youmlntemlere goumlre
avantajlı fakat fosil yakıtlara goumlre yuumlksek maliyetlidir (Acar and Dinccediler 2014) Ancak
elektroliz iccedilin gereken enerji yine fosil yakıtlardan sağlandığı iccedilin gelecekte yaygın
kullanımı konusunda şuumlpheler vardır
211f Suyun termal bozulması
Su buharının hidrojen ve oksijene ayrılması iccedilin ısının kullanıldığı bir metottur Basit
bir uygulamadır Suyun ccedilok yuumlksek sıcaklığa (3400K) ısıtılması ile doumlnuumlşuumlm gerccedilekleşir
(Dinccediler 2002)
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
ix
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı
akışında tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi 35
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini
oumllccedilmeyi sağlayan sistem 36
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri 38
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri 39
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25
NPrsquolerin TEM goumlruumlntuumlleri 40
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25
NPrsquolerine ait XRD desenleri 41
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise
başlangıccedil TOF değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini
goumlsterir 42
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 43
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz
karışımı altında 400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen
yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi 44
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml 45
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin
25plusmn05degCrsquode gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen
gazının mol miktarının zamana karşı grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı
ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir 46
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının
mol miktarının zaman karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB]
grafiğini goumlstermektedir 47
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM
ABrsquonin hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının
zamana karşı grafiği 48
x
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği 49
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin
zamana karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği 50
xi
CcedilİZELGELER DİZİNİ
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması 25
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri
ve elde edilen TOF değerleri 52
1
1 GİRİŞ
Duumlnya enerji ihtiyacının buumlyuumlk bir kısmını fosil yakıtlardan karşılamaktadır Fosil
yakıtların yoğun bir şekilde kullanılması sonucu atmosfere salınan başta CO2 olmak
uumlzere zararlı sera gazları hava kirliliğine ve kuumlresel ısınmaya sebep olmaktadır Hava
kirliliğini ve kuumlresel ısınmayı oumlnlemek amacıyla fosil yakıtlara alternatif olarak ruumlzgar
ve guumlneş enerjisi başta olmak uumlzere yenilenebilir enerji kaynakları uumlzerine
ccedilalışılmaktadır Ancak bu yenilenebilir enerji kaynaklarında en buumlyuumlk sorun suumlreksiz
olmaları ve kurulum maliyetlerinin yuumlksek olmasıdır Bu nedenle yenilenebilir enerji
kaynaklarına alternatif olarak hidrojenin enerji taşıyıcı olarak kullanılması avantajlıdır
Temiz bir enerji taşıyıcısı olan hidrojen son zamanlardaki bilimsel ve teknolojik
gelişmeler sayesinde guumlnluumlk uygulamalarda yerini almıştır Taşınabilir yakıt huumlcresi
teknolojilerinin yanı sıra ccedileşitli otomobil şirketleri 2015 yılında satış iccedilin hidrojen
yakıtlı araccedilların uumlretimini accedilıklamışlardır (Laird 2014) Hidrojen duumlnya ccedilapında gelecek
iccedilin enerji sorunlarının ccediloumlzuumlmuuml olarak kabul edilmektedir (Stetson 2013)
Hidrojen ekonomisinde son yıllarda meydana gelen oumlnemli gelişmelere rağmen halen
hidrojenin guumlnluumlk kullanımına youmlnelik oumlnemli teknolojik ve ekonomik engeller
bulunmaktadır (Stetson 2013) Buguumlne kadar ccedilok sayıda depolama teknikleri
geliştirilmiş olmasına rağmen hidrojenin guumlvenli depolanması ve kontrolluuml bir şekilde
salıverilmesi suumlregelen ccediloumlzuumllememiş sorunlar arasında en oumlnemlisidir Depolama
sorununa ccediloumlzuumlm olarak hidrojeni katı fazda kimyasal bileşik halinde depolama en ccedilok
incelenen teknolojilerden biridir AB kompleksi (H3NBH3) şimdiye kadar test edilen
kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında gravimetrik ve hacimsel olarak en
yuumlksek hidrojen iccedileriğine sahiptir Duumlşuumlk molekuumll ağırlığı zehirsiz olması ve ccediloumlzelti
iccedilerisinde kararlı olarak bulunması ABrsquonin diğer depolama malzemelerine goumlre
avantajlarıdır (Stephens et al 2007) AB uygun katalizoumlr varlığında hidroliz yolu ile oda
sıcaklığında tuumlm hidrojenini kolayca salıveririr Aşağıda ABrsquonin hidroliz tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
)(3H)()BONH()( O2H)(NBHH 224233 gsulussuluKatalizoumlr
2
Buguumlne kadar ccedileşitli katalizoumlrler ABrsquonin hidroliziyle test edilmiştir AB hidrolizinde en
yuumlksek hidrojen gazı salınımını soy metaller (Pt Ru Rh Pd) ya da bu metallerin
bimetalik formundaki katalizoumlrler goumlstermiştir Soy metaller arasında Pd diğerlerine
goumlre daha ucuz olması ve ABrsquonin dehidrojenlenmesinde umut vaat eden aktivitesi ile en
iyi seccedilenek olarak kabul edilmektedir
Diğer taraftan birinci sıra geccediliş metalleri (Fe Co Ni Cu) varlığında Pdrsquonin bimetalik
NPrsquolerinin hazırlanmasıyla daha ekonomik ve daha aktif Pd katalizoumlrlerin sentezi
gerccedilekleştirilir Literatuumlrde karbon destekli CoPd (Sun et al 2011) ve İGO destekli
NiPd alaşım NPrsquolerinin (Ccediliftci and Metin 2014) ABrsquonin hidrolitik
dehidrojenlenmesinde yuumlksek katalitik etkinliğe sahip katalizoumlrler oldukları grubumuz
tarafından bildirildi Ancak ABrsquonin dehidrojenlenmesi uumlzerine detaylı bir literatuumlr
taraması yapıldığında Cu esaslı katalizoumlrlerin ABrsquonin hidrolizinde sınırlı sayıda
ccedilalışılmış olduğu ve aktivitelerinin duumlşuumlk olduğu goumlruumllmektedir Oumlrneğin İGO-Cu
katalizoumlruuml (Yang et al 2014) ABrsquonin hidrolizindeki ccedilevrim frekansının (TOF) 361dk-1
olduğu bildirilmiştir Bununla birlikte İGO-CuRu alaşım NPrsquolerinin (Cao et al 2014)
AB ile hidrolizinde TOF değeri 135dk-1
olarak bildirilmiştir Bu ve buna benzer
ccedilalışmalar bize bir soy metal ile ucuz olan Cursquonun bimetalik NPrsquolerinin hazırlanması ile
ABrsquonin hidrolizi iccedilin etkin ve ekonomik katalizoumlrler geliştirilebileceğini goumlstermektedir
Biz de bu motivasyon ve daha oumlnce bildirdiğimiz CoPd ve NiPd alaşım NPrsquolerinin
ABrsquonin hidrolizindeki aktivitelerini goumlz oumlnuumlne alarak bu tez ccedilalışmasında İGOrsquoya
desteklenmiş CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinliklerini
inceledik Bu tez ccedilalışması CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde test edilmesi
youmlnuumlnden literatuumlrde ilk oumlrnektir Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri
Cu(acac)2 ve Pd(acac)2 başlangıccedil metal tuzlarının OAm ve ODE iccedilerisinde 80degCrsquode eş
zamanlı indirgenmesi yolu ile sentezlendi Mevcut reccedilete ile CuPd NPrsquolerinin
kompozisyon kontrolluuml sentezi gerccedilekleştirildi ve CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı
kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25) sentezlendi CuPd alaşım NPrsquolerinin
sentezlenen uumlccedil farklı kompozisyonu İGOrsquoya desteklendi ve ABrsquonin hidrolizinde
katalizoumlr olarak test edildi Test edilen kompozisyonlar arasında en yuumlksek katalitik
3
etkinliği 131dk-1
ccedilevrim frekansı ile İGO-Cu75Pd25 goumlsterdi İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruumlnuumln katalitik etkinliği 400degCrsquode Ar-H2(5H2) gaz atmosferinde 1 saat
tavlama yolu ile 299dk-1
ccedilevrim frekansına artırıldı Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile
hidrolizindeki kinetiği katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak
ccedilalışılarak tepkimenin hız yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
4
2 KAYNAK OumlZETLERİ
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri
Periyodik cetvelin sol uumlst koumlşesinde yer alan hidrojenin ccedilekirdeğinde bir proton ve dış
youmlruumlngesinde bir elektron vardır En hafif element olarak bilinen hidrojenin atomik
kuumltlesi 100794gmolrsquoduumlr Standart sıcaklık ve basınccedil altında hidrojen renksiz kokusuz
tatsız metalik olmayan yoğunluğu havadan 144 kez daha hafif olan bir elementtir
Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz bileşikler halinde bulunur En ccedilok bilinen
bileşiği ise sudur Temiz enerji taşıyıcı olarak hidrojen kuumltle bazında yuumlksek bir spesifik
enerjiye sahiptir (oumlrneğin hidrojenin 95kg enerji iccedileriği benzinin 25kg enerjisine
eşdeğerdir) Hidrojen doğalgaz koumlmuumlr ağır hidrokarbonların gazlaştırılması buhar
reformasyonu suyun elektrolizi termokimyasal ayrışma gibi birccedilok teknikle ile elde
edilebilir (Momirlan and Veziroğlu 2005)
Bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin kullanılması CO2 emisyonlarını azaltmak iccedilin
uzun vadeli bir seccedilenektir Yenilenebilir enerji kaynaklarından uumlretilen hidrojen
gelecekteki enerji ihtiyacının buumlyuumlk boumlluumlmuumlnuuml karşılayıp ccedilevre kirliliğinin oumlnuumlne
geccedilecektir
Hidrojen petrokimya gıda mikroelektronik demir ve polimer sentezinde kimyasal
hammadde olarak kullanılan sistemlerde enerji taşıyıcı olarak avantajlı ve temiz
suumlrduumlruumllebilir enerji sistemlerinde kullanılmaktadır (Midilli et al 2005) Aynı zamanda
organik sentezlerde de yaygın olarak kullanılan bir indirgendir
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir Fakat doğada saf halde bulunmaz diğer
elementlerle bileşikler halinde bulunur
5
Bu yuumlzden hidrojenin uumlretimi iccedilin birccedilok metot bulunmaktadır Aşağıda hidrojen uumlretim
metodlarının en yaygın olanlarından kısaca bahsedilmektedir
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması
Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500degC sıcaklığa kadar olan suumlreccedil
piroliz safhası olup burada karbon gazlar ve katran elde edilir Yuumlksek sıcaklık ve
basınccedil uygulandığında karbon su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 uumlretilir
(Besancon et al 2009)
211b Buhar reformasyonu
Hidrojen uumlretimi iccedilin en yaygın olarak kullanılan youmlntemdir Reaksiyon yuumlksek basınccedil
ve sıcaklıkta Ni katalizoumlruuml eşliğinde gerccedilekleşir Endotermik bir reaksiyon olup ihtiyaccedil
duyulan enerjinin bir kısmı metan gazının yanması ile elde edilir (Kothari et al 2008)
211c Kvaerner youmlntemi
Bu teknik yuumlksek sıcaklıklarda hidrokarbonlardan elektrik akımı geccedilirilerek aktif
karbon ve hidrojen uumlretiminin gerccedilekleştirilmesi esasına dayanır Suumlreccedil sonunda CO2
oluşmaması diğer youmlntemlere goumlre bir avantaj sağlar Oluşan mevcut enerjinin yaklaşık
olarak 40rsquoını aktif karbon (AC) 48rsquoini hidrojen ve 10rsquonunu su buharı oluşturur
CH4 H2O CO +
CO H2O CO2 H2 +
CO 3H2 CH4 H2 +
3H2
CnH
m Enerji nC m2 H
2 + +
+
+
+
6
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu katalizoumlre ihtiyaccedil olmadan duumlşuumlk basınccedil altında
gerccedilekleşir Kısmi oksidasyon işleminin dezavantajı ise ortama CO2 ile birlikte aynı
zamanda CO gazı accedilığa ccedilıkarmasıdır Ccedilıkan CO gazıda elde edilen hidrojenin kullanım
alanını kısıtlamaktadır Ortalama verim 50 civarındadır (Dinccediler 2002)
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses
211e Suyun elektrolizi
Sudan elektrik akımı geccedilirerek su molekuumlllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını
sağlar Bu teknik hidrojen uumlretimi iccedilin bilinen en kolay youmlntemdir Hidrojen uumlretiminde
atmosfere herhangi bir kirletici gaz accedilığa ccedilıkarmadığından dolayı diğer youmlntemlere goumlre
avantajlı fakat fosil yakıtlara goumlre yuumlksek maliyetlidir (Acar and Dinccediler 2014) Ancak
elektroliz iccedilin gereken enerji yine fosil yakıtlardan sağlandığı iccedilin gelecekte yaygın
kullanımı konusunda şuumlpheler vardır
211f Suyun termal bozulması
Su buharının hidrojen ve oksijene ayrılması iccedilin ısının kullanıldığı bir metottur Basit
bir uygulamadır Suyun ccedilok yuumlksek sıcaklığa (3400K) ısıtılması ile doumlnuumlşuumlm gerccedilekleşir
(Dinccediler 2002)
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
x
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği 49
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin
zamana karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği 50
xi
CcedilİZELGELER DİZİNİ
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması 25
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri
ve elde edilen TOF değerleri 52
1
1 GİRİŞ
Duumlnya enerji ihtiyacının buumlyuumlk bir kısmını fosil yakıtlardan karşılamaktadır Fosil
yakıtların yoğun bir şekilde kullanılması sonucu atmosfere salınan başta CO2 olmak
uumlzere zararlı sera gazları hava kirliliğine ve kuumlresel ısınmaya sebep olmaktadır Hava
kirliliğini ve kuumlresel ısınmayı oumlnlemek amacıyla fosil yakıtlara alternatif olarak ruumlzgar
ve guumlneş enerjisi başta olmak uumlzere yenilenebilir enerji kaynakları uumlzerine
ccedilalışılmaktadır Ancak bu yenilenebilir enerji kaynaklarında en buumlyuumlk sorun suumlreksiz
olmaları ve kurulum maliyetlerinin yuumlksek olmasıdır Bu nedenle yenilenebilir enerji
kaynaklarına alternatif olarak hidrojenin enerji taşıyıcı olarak kullanılması avantajlıdır
Temiz bir enerji taşıyıcısı olan hidrojen son zamanlardaki bilimsel ve teknolojik
gelişmeler sayesinde guumlnluumlk uygulamalarda yerini almıştır Taşınabilir yakıt huumlcresi
teknolojilerinin yanı sıra ccedileşitli otomobil şirketleri 2015 yılında satış iccedilin hidrojen
yakıtlı araccedilların uumlretimini accedilıklamışlardır (Laird 2014) Hidrojen duumlnya ccedilapında gelecek
iccedilin enerji sorunlarının ccediloumlzuumlmuuml olarak kabul edilmektedir (Stetson 2013)
Hidrojen ekonomisinde son yıllarda meydana gelen oumlnemli gelişmelere rağmen halen
hidrojenin guumlnluumlk kullanımına youmlnelik oumlnemli teknolojik ve ekonomik engeller
bulunmaktadır (Stetson 2013) Buguumlne kadar ccedilok sayıda depolama teknikleri
geliştirilmiş olmasına rağmen hidrojenin guumlvenli depolanması ve kontrolluuml bir şekilde
salıverilmesi suumlregelen ccediloumlzuumllememiş sorunlar arasında en oumlnemlisidir Depolama
sorununa ccediloumlzuumlm olarak hidrojeni katı fazda kimyasal bileşik halinde depolama en ccedilok
incelenen teknolojilerden biridir AB kompleksi (H3NBH3) şimdiye kadar test edilen
kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında gravimetrik ve hacimsel olarak en
yuumlksek hidrojen iccedileriğine sahiptir Duumlşuumlk molekuumll ağırlığı zehirsiz olması ve ccediloumlzelti
iccedilerisinde kararlı olarak bulunması ABrsquonin diğer depolama malzemelerine goumlre
avantajlarıdır (Stephens et al 2007) AB uygun katalizoumlr varlığında hidroliz yolu ile oda
sıcaklığında tuumlm hidrojenini kolayca salıveririr Aşağıda ABrsquonin hidroliz tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
)(3H)()BONH()( O2H)(NBHH 224233 gsulussuluKatalizoumlr
2
Buguumlne kadar ccedileşitli katalizoumlrler ABrsquonin hidroliziyle test edilmiştir AB hidrolizinde en
yuumlksek hidrojen gazı salınımını soy metaller (Pt Ru Rh Pd) ya da bu metallerin
bimetalik formundaki katalizoumlrler goumlstermiştir Soy metaller arasında Pd diğerlerine
goumlre daha ucuz olması ve ABrsquonin dehidrojenlenmesinde umut vaat eden aktivitesi ile en
iyi seccedilenek olarak kabul edilmektedir
Diğer taraftan birinci sıra geccediliş metalleri (Fe Co Ni Cu) varlığında Pdrsquonin bimetalik
NPrsquolerinin hazırlanmasıyla daha ekonomik ve daha aktif Pd katalizoumlrlerin sentezi
gerccedilekleştirilir Literatuumlrde karbon destekli CoPd (Sun et al 2011) ve İGO destekli
NiPd alaşım NPrsquolerinin (Ccediliftci and Metin 2014) ABrsquonin hidrolitik
dehidrojenlenmesinde yuumlksek katalitik etkinliğe sahip katalizoumlrler oldukları grubumuz
tarafından bildirildi Ancak ABrsquonin dehidrojenlenmesi uumlzerine detaylı bir literatuumlr
taraması yapıldığında Cu esaslı katalizoumlrlerin ABrsquonin hidrolizinde sınırlı sayıda
ccedilalışılmış olduğu ve aktivitelerinin duumlşuumlk olduğu goumlruumllmektedir Oumlrneğin İGO-Cu
katalizoumlruuml (Yang et al 2014) ABrsquonin hidrolizindeki ccedilevrim frekansının (TOF) 361dk-1
olduğu bildirilmiştir Bununla birlikte İGO-CuRu alaşım NPrsquolerinin (Cao et al 2014)
AB ile hidrolizinde TOF değeri 135dk-1
olarak bildirilmiştir Bu ve buna benzer
ccedilalışmalar bize bir soy metal ile ucuz olan Cursquonun bimetalik NPrsquolerinin hazırlanması ile
ABrsquonin hidrolizi iccedilin etkin ve ekonomik katalizoumlrler geliştirilebileceğini goumlstermektedir
Biz de bu motivasyon ve daha oumlnce bildirdiğimiz CoPd ve NiPd alaşım NPrsquolerinin
ABrsquonin hidrolizindeki aktivitelerini goumlz oumlnuumlne alarak bu tez ccedilalışmasında İGOrsquoya
desteklenmiş CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinliklerini
inceledik Bu tez ccedilalışması CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde test edilmesi
youmlnuumlnden literatuumlrde ilk oumlrnektir Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri
Cu(acac)2 ve Pd(acac)2 başlangıccedil metal tuzlarının OAm ve ODE iccedilerisinde 80degCrsquode eş
zamanlı indirgenmesi yolu ile sentezlendi Mevcut reccedilete ile CuPd NPrsquolerinin
kompozisyon kontrolluuml sentezi gerccedilekleştirildi ve CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı
kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25) sentezlendi CuPd alaşım NPrsquolerinin
sentezlenen uumlccedil farklı kompozisyonu İGOrsquoya desteklendi ve ABrsquonin hidrolizinde
katalizoumlr olarak test edildi Test edilen kompozisyonlar arasında en yuumlksek katalitik
3
etkinliği 131dk-1
ccedilevrim frekansı ile İGO-Cu75Pd25 goumlsterdi İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruumlnuumln katalitik etkinliği 400degCrsquode Ar-H2(5H2) gaz atmosferinde 1 saat
tavlama yolu ile 299dk-1
ccedilevrim frekansına artırıldı Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile
hidrolizindeki kinetiği katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak
ccedilalışılarak tepkimenin hız yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
4
2 KAYNAK OumlZETLERİ
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri
Periyodik cetvelin sol uumlst koumlşesinde yer alan hidrojenin ccedilekirdeğinde bir proton ve dış
youmlruumlngesinde bir elektron vardır En hafif element olarak bilinen hidrojenin atomik
kuumltlesi 100794gmolrsquoduumlr Standart sıcaklık ve basınccedil altında hidrojen renksiz kokusuz
tatsız metalik olmayan yoğunluğu havadan 144 kez daha hafif olan bir elementtir
Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz bileşikler halinde bulunur En ccedilok bilinen
bileşiği ise sudur Temiz enerji taşıyıcı olarak hidrojen kuumltle bazında yuumlksek bir spesifik
enerjiye sahiptir (oumlrneğin hidrojenin 95kg enerji iccedileriği benzinin 25kg enerjisine
eşdeğerdir) Hidrojen doğalgaz koumlmuumlr ağır hidrokarbonların gazlaştırılması buhar
reformasyonu suyun elektrolizi termokimyasal ayrışma gibi birccedilok teknikle ile elde
edilebilir (Momirlan and Veziroğlu 2005)
Bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin kullanılması CO2 emisyonlarını azaltmak iccedilin
uzun vadeli bir seccedilenektir Yenilenebilir enerji kaynaklarından uumlretilen hidrojen
gelecekteki enerji ihtiyacının buumlyuumlk boumlluumlmuumlnuuml karşılayıp ccedilevre kirliliğinin oumlnuumlne
geccedilecektir
Hidrojen petrokimya gıda mikroelektronik demir ve polimer sentezinde kimyasal
hammadde olarak kullanılan sistemlerde enerji taşıyıcı olarak avantajlı ve temiz
suumlrduumlruumllebilir enerji sistemlerinde kullanılmaktadır (Midilli et al 2005) Aynı zamanda
organik sentezlerde de yaygın olarak kullanılan bir indirgendir
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir Fakat doğada saf halde bulunmaz diğer
elementlerle bileşikler halinde bulunur
5
Bu yuumlzden hidrojenin uumlretimi iccedilin birccedilok metot bulunmaktadır Aşağıda hidrojen uumlretim
metodlarının en yaygın olanlarından kısaca bahsedilmektedir
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması
Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500degC sıcaklığa kadar olan suumlreccedil
piroliz safhası olup burada karbon gazlar ve katran elde edilir Yuumlksek sıcaklık ve
basınccedil uygulandığında karbon su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 uumlretilir
(Besancon et al 2009)
211b Buhar reformasyonu
Hidrojen uumlretimi iccedilin en yaygın olarak kullanılan youmlntemdir Reaksiyon yuumlksek basınccedil
ve sıcaklıkta Ni katalizoumlruuml eşliğinde gerccedilekleşir Endotermik bir reaksiyon olup ihtiyaccedil
duyulan enerjinin bir kısmı metan gazının yanması ile elde edilir (Kothari et al 2008)
211c Kvaerner youmlntemi
Bu teknik yuumlksek sıcaklıklarda hidrokarbonlardan elektrik akımı geccedilirilerek aktif
karbon ve hidrojen uumlretiminin gerccedilekleştirilmesi esasına dayanır Suumlreccedil sonunda CO2
oluşmaması diğer youmlntemlere goumlre bir avantaj sağlar Oluşan mevcut enerjinin yaklaşık
olarak 40rsquoını aktif karbon (AC) 48rsquoini hidrojen ve 10rsquonunu su buharı oluşturur
CH4 H2O CO +
CO H2O CO2 H2 +
CO 3H2 CH4 H2 +
3H2
CnH
m Enerji nC m2 H
2 + +
+
+
+
6
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu katalizoumlre ihtiyaccedil olmadan duumlşuumlk basınccedil altında
gerccedilekleşir Kısmi oksidasyon işleminin dezavantajı ise ortama CO2 ile birlikte aynı
zamanda CO gazı accedilığa ccedilıkarmasıdır Ccedilıkan CO gazıda elde edilen hidrojenin kullanım
alanını kısıtlamaktadır Ortalama verim 50 civarındadır (Dinccediler 2002)
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses
211e Suyun elektrolizi
Sudan elektrik akımı geccedilirerek su molekuumlllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını
sağlar Bu teknik hidrojen uumlretimi iccedilin bilinen en kolay youmlntemdir Hidrojen uumlretiminde
atmosfere herhangi bir kirletici gaz accedilığa ccedilıkarmadığından dolayı diğer youmlntemlere goumlre
avantajlı fakat fosil yakıtlara goumlre yuumlksek maliyetlidir (Acar and Dinccediler 2014) Ancak
elektroliz iccedilin gereken enerji yine fosil yakıtlardan sağlandığı iccedilin gelecekte yaygın
kullanımı konusunda şuumlpheler vardır
211f Suyun termal bozulması
Su buharının hidrojen ve oksijene ayrılması iccedilin ısının kullanıldığı bir metottur Basit
bir uygulamadır Suyun ccedilok yuumlksek sıcaklığa (3400K) ısıtılması ile doumlnuumlşuumlm gerccedilekleşir
(Dinccediler 2002)
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
xi
CcedilİZELGELER DİZİNİ
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması 25
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri
ve elde edilen TOF değerleri 52
1
1 GİRİŞ
Duumlnya enerji ihtiyacının buumlyuumlk bir kısmını fosil yakıtlardan karşılamaktadır Fosil
yakıtların yoğun bir şekilde kullanılması sonucu atmosfere salınan başta CO2 olmak
uumlzere zararlı sera gazları hava kirliliğine ve kuumlresel ısınmaya sebep olmaktadır Hava
kirliliğini ve kuumlresel ısınmayı oumlnlemek amacıyla fosil yakıtlara alternatif olarak ruumlzgar
ve guumlneş enerjisi başta olmak uumlzere yenilenebilir enerji kaynakları uumlzerine
ccedilalışılmaktadır Ancak bu yenilenebilir enerji kaynaklarında en buumlyuumlk sorun suumlreksiz
olmaları ve kurulum maliyetlerinin yuumlksek olmasıdır Bu nedenle yenilenebilir enerji
kaynaklarına alternatif olarak hidrojenin enerji taşıyıcı olarak kullanılması avantajlıdır
Temiz bir enerji taşıyıcısı olan hidrojen son zamanlardaki bilimsel ve teknolojik
gelişmeler sayesinde guumlnluumlk uygulamalarda yerini almıştır Taşınabilir yakıt huumlcresi
teknolojilerinin yanı sıra ccedileşitli otomobil şirketleri 2015 yılında satış iccedilin hidrojen
yakıtlı araccedilların uumlretimini accedilıklamışlardır (Laird 2014) Hidrojen duumlnya ccedilapında gelecek
iccedilin enerji sorunlarının ccediloumlzuumlmuuml olarak kabul edilmektedir (Stetson 2013)
Hidrojen ekonomisinde son yıllarda meydana gelen oumlnemli gelişmelere rağmen halen
hidrojenin guumlnluumlk kullanımına youmlnelik oumlnemli teknolojik ve ekonomik engeller
bulunmaktadır (Stetson 2013) Buguumlne kadar ccedilok sayıda depolama teknikleri
geliştirilmiş olmasına rağmen hidrojenin guumlvenli depolanması ve kontrolluuml bir şekilde
salıverilmesi suumlregelen ccediloumlzuumllememiş sorunlar arasında en oumlnemlisidir Depolama
sorununa ccediloumlzuumlm olarak hidrojeni katı fazda kimyasal bileşik halinde depolama en ccedilok
incelenen teknolojilerden biridir AB kompleksi (H3NBH3) şimdiye kadar test edilen
kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında gravimetrik ve hacimsel olarak en
yuumlksek hidrojen iccedileriğine sahiptir Duumlşuumlk molekuumll ağırlığı zehirsiz olması ve ccediloumlzelti
iccedilerisinde kararlı olarak bulunması ABrsquonin diğer depolama malzemelerine goumlre
avantajlarıdır (Stephens et al 2007) AB uygun katalizoumlr varlığında hidroliz yolu ile oda
sıcaklığında tuumlm hidrojenini kolayca salıveririr Aşağıda ABrsquonin hidroliz tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
)(3H)()BONH()( O2H)(NBHH 224233 gsulussuluKatalizoumlr
2
Buguumlne kadar ccedileşitli katalizoumlrler ABrsquonin hidroliziyle test edilmiştir AB hidrolizinde en
yuumlksek hidrojen gazı salınımını soy metaller (Pt Ru Rh Pd) ya da bu metallerin
bimetalik formundaki katalizoumlrler goumlstermiştir Soy metaller arasında Pd diğerlerine
goumlre daha ucuz olması ve ABrsquonin dehidrojenlenmesinde umut vaat eden aktivitesi ile en
iyi seccedilenek olarak kabul edilmektedir
Diğer taraftan birinci sıra geccediliş metalleri (Fe Co Ni Cu) varlığında Pdrsquonin bimetalik
NPrsquolerinin hazırlanmasıyla daha ekonomik ve daha aktif Pd katalizoumlrlerin sentezi
gerccedilekleştirilir Literatuumlrde karbon destekli CoPd (Sun et al 2011) ve İGO destekli
NiPd alaşım NPrsquolerinin (Ccediliftci and Metin 2014) ABrsquonin hidrolitik
dehidrojenlenmesinde yuumlksek katalitik etkinliğe sahip katalizoumlrler oldukları grubumuz
tarafından bildirildi Ancak ABrsquonin dehidrojenlenmesi uumlzerine detaylı bir literatuumlr
taraması yapıldığında Cu esaslı katalizoumlrlerin ABrsquonin hidrolizinde sınırlı sayıda
ccedilalışılmış olduğu ve aktivitelerinin duumlşuumlk olduğu goumlruumllmektedir Oumlrneğin İGO-Cu
katalizoumlruuml (Yang et al 2014) ABrsquonin hidrolizindeki ccedilevrim frekansının (TOF) 361dk-1
olduğu bildirilmiştir Bununla birlikte İGO-CuRu alaşım NPrsquolerinin (Cao et al 2014)
AB ile hidrolizinde TOF değeri 135dk-1
olarak bildirilmiştir Bu ve buna benzer
ccedilalışmalar bize bir soy metal ile ucuz olan Cursquonun bimetalik NPrsquolerinin hazırlanması ile
ABrsquonin hidrolizi iccedilin etkin ve ekonomik katalizoumlrler geliştirilebileceğini goumlstermektedir
Biz de bu motivasyon ve daha oumlnce bildirdiğimiz CoPd ve NiPd alaşım NPrsquolerinin
ABrsquonin hidrolizindeki aktivitelerini goumlz oumlnuumlne alarak bu tez ccedilalışmasında İGOrsquoya
desteklenmiş CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinliklerini
inceledik Bu tez ccedilalışması CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde test edilmesi
youmlnuumlnden literatuumlrde ilk oumlrnektir Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri
Cu(acac)2 ve Pd(acac)2 başlangıccedil metal tuzlarının OAm ve ODE iccedilerisinde 80degCrsquode eş
zamanlı indirgenmesi yolu ile sentezlendi Mevcut reccedilete ile CuPd NPrsquolerinin
kompozisyon kontrolluuml sentezi gerccedilekleştirildi ve CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı
kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25) sentezlendi CuPd alaşım NPrsquolerinin
sentezlenen uumlccedil farklı kompozisyonu İGOrsquoya desteklendi ve ABrsquonin hidrolizinde
katalizoumlr olarak test edildi Test edilen kompozisyonlar arasında en yuumlksek katalitik
3
etkinliği 131dk-1
ccedilevrim frekansı ile İGO-Cu75Pd25 goumlsterdi İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruumlnuumln katalitik etkinliği 400degCrsquode Ar-H2(5H2) gaz atmosferinde 1 saat
tavlama yolu ile 299dk-1
ccedilevrim frekansına artırıldı Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile
hidrolizindeki kinetiği katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak
ccedilalışılarak tepkimenin hız yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
4
2 KAYNAK OumlZETLERİ
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri
Periyodik cetvelin sol uumlst koumlşesinde yer alan hidrojenin ccedilekirdeğinde bir proton ve dış
youmlruumlngesinde bir elektron vardır En hafif element olarak bilinen hidrojenin atomik
kuumltlesi 100794gmolrsquoduumlr Standart sıcaklık ve basınccedil altında hidrojen renksiz kokusuz
tatsız metalik olmayan yoğunluğu havadan 144 kez daha hafif olan bir elementtir
Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz bileşikler halinde bulunur En ccedilok bilinen
bileşiği ise sudur Temiz enerji taşıyıcı olarak hidrojen kuumltle bazında yuumlksek bir spesifik
enerjiye sahiptir (oumlrneğin hidrojenin 95kg enerji iccedileriği benzinin 25kg enerjisine
eşdeğerdir) Hidrojen doğalgaz koumlmuumlr ağır hidrokarbonların gazlaştırılması buhar
reformasyonu suyun elektrolizi termokimyasal ayrışma gibi birccedilok teknikle ile elde
edilebilir (Momirlan and Veziroğlu 2005)
Bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin kullanılması CO2 emisyonlarını azaltmak iccedilin
uzun vadeli bir seccedilenektir Yenilenebilir enerji kaynaklarından uumlretilen hidrojen
gelecekteki enerji ihtiyacının buumlyuumlk boumlluumlmuumlnuuml karşılayıp ccedilevre kirliliğinin oumlnuumlne
geccedilecektir
Hidrojen petrokimya gıda mikroelektronik demir ve polimer sentezinde kimyasal
hammadde olarak kullanılan sistemlerde enerji taşıyıcı olarak avantajlı ve temiz
suumlrduumlruumllebilir enerji sistemlerinde kullanılmaktadır (Midilli et al 2005) Aynı zamanda
organik sentezlerde de yaygın olarak kullanılan bir indirgendir
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir Fakat doğada saf halde bulunmaz diğer
elementlerle bileşikler halinde bulunur
5
Bu yuumlzden hidrojenin uumlretimi iccedilin birccedilok metot bulunmaktadır Aşağıda hidrojen uumlretim
metodlarının en yaygın olanlarından kısaca bahsedilmektedir
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması
Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500degC sıcaklığa kadar olan suumlreccedil
piroliz safhası olup burada karbon gazlar ve katran elde edilir Yuumlksek sıcaklık ve
basınccedil uygulandığında karbon su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 uumlretilir
(Besancon et al 2009)
211b Buhar reformasyonu
Hidrojen uumlretimi iccedilin en yaygın olarak kullanılan youmlntemdir Reaksiyon yuumlksek basınccedil
ve sıcaklıkta Ni katalizoumlruuml eşliğinde gerccedilekleşir Endotermik bir reaksiyon olup ihtiyaccedil
duyulan enerjinin bir kısmı metan gazının yanması ile elde edilir (Kothari et al 2008)
211c Kvaerner youmlntemi
Bu teknik yuumlksek sıcaklıklarda hidrokarbonlardan elektrik akımı geccedilirilerek aktif
karbon ve hidrojen uumlretiminin gerccedilekleştirilmesi esasına dayanır Suumlreccedil sonunda CO2
oluşmaması diğer youmlntemlere goumlre bir avantaj sağlar Oluşan mevcut enerjinin yaklaşık
olarak 40rsquoını aktif karbon (AC) 48rsquoini hidrojen ve 10rsquonunu su buharı oluşturur
CH4 H2O CO +
CO H2O CO2 H2 +
CO 3H2 CH4 H2 +
3H2
CnH
m Enerji nC m2 H
2 + +
+
+
+
6
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu katalizoumlre ihtiyaccedil olmadan duumlşuumlk basınccedil altında
gerccedilekleşir Kısmi oksidasyon işleminin dezavantajı ise ortama CO2 ile birlikte aynı
zamanda CO gazı accedilığa ccedilıkarmasıdır Ccedilıkan CO gazıda elde edilen hidrojenin kullanım
alanını kısıtlamaktadır Ortalama verim 50 civarındadır (Dinccediler 2002)
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses
211e Suyun elektrolizi
Sudan elektrik akımı geccedilirerek su molekuumlllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını
sağlar Bu teknik hidrojen uumlretimi iccedilin bilinen en kolay youmlntemdir Hidrojen uumlretiminde
atmosfere herhangi bir kirletici gaz accedilığa ccedilıkarmadığından dolayı diğer youmlntemlere goumlre
avantajlı fakat fosil yakıtlara goumlre yuumlksek maliyetlidir (Acar and Dinccediler 2014) Ancak
elektroliz iccedilin gereken enerji yine fosil yakıtlardan sağlandığı iccedilin gelecekte yaygın
kullanımı konusunda şuumlpheler vardır
211f Suyun termal bozulması
Su buharının hidrojen ve oksijene ayrılması iccedilin ısının kullanıldığı bir metottur Basit
bir uygulamadır Suyun ccedilok yuumlksek sıcaklığa (3400K) ısıtılması ile doumlnuumlşuumlm gerccedilekleşir
(Dinccediler 2002)
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
1
1 GİRİŞ
Duumlnya enerji ihtiyacının buumlyuumlk bir kısmını fosil yakıtlardan karşılamaktadır Fosil
yakıtların yoğun bir şekilde kullanılması sonucu atmosfere salınan başta CO2 olmak
uumlzere zararlı sera gazları hava kirliliğine ve kuumlresel ısınmaya sebep olmaktadır Hava
kirliliğini ve kuumlresel ısınmayı oumlnlemek amacıyla fosil yakıtlara alternatif olarak ruumlzgar
ve guumlneş enerjisi başta olmak uumlzere yenilenebilir enerji kaynakları uumlzerine
ccedilalışılmaktadır Ancak bu yenilenebilir enerji kaynaklarında en buumlyuumlk sorun suumlreksiz
olmaları ve kurulum maliyetlerinin yuumlksek olmasıdır Bu nedenle yenilenebilir enerji
kaynaklarına alternatif olarak hidrojenin enerji taşıyıcı olarak kullanılması avantajlıdır
Temiz bir enerji taşıyıcısı olan hidrojen son zamanlardaki bilimsel ve teknolojik
gelişmeler sayesinde guumlnluumlk uygulamalarda yerini almıştır Taşınabilir yakıt huumlcresi
teknolojilerinin yanı sıra ccedileşitli otomobil şirketleri 2015 yılında satış iccedilin hidrojen
yakıtlı araccedilların uumlretimini accedilıklamışlardır (Laird 2014) Hidrojen duumlnya ccedilapında gelecek
iccedilin enerji sorunlarının ccediloumlzuumlmuuml olarak kabul edilmektedir (Stetson 2013)
Hidrojen ekonomisinde son yıllarda meydana gelen oumlnemli gelişmelere rağmen halen
hidrojenin guumlnluumlk kullanımına youmlnelik oumlnemli teknolojik ve ekonomik engeller
bulunmaktadır (Stetson 2013) Buguumlne kadar ccedilok sayıda depolama teknikleri
geliştirilmiş olmasına rağmen hidrojenin guumlvenli depolanması ve kontrolluuml bir şekilde
salıverilmesi suumlregelen ccediloumlzuumllememiş sorunlar arasında en oumlnemlisidir Depolama
sorununa ccediloumlzuumlm olarak hidrojeni katı fazda kimyasal bileşik halinde depolama en ccedilok
incelenen teknolojilerden biridir AB kompleksi (H3NBH3) şimdiye kadar test edilen
kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında gravimetrik ve hacimsel olarak en
yuumlksek hidrojen iccedileriğine sahiptir Duumlşuumlk molekuumll ağırlığı zehirsiz olması ve ccediloumlzelti
iccedilerisinde kararlı olarak bulunması ABrsquonin diğer depolama malzemelerine goumlre
avantajlarıdır (Stephens et al 2007) AB uygun katalizoumlr varlığında hidroliz yolu ile oda
sıcaklığında tuumlm hidrojenini kolayca salıveririr Aşağıda ABrsquonin hidroliz tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
)(3H)()BONH()( O2H)(NBHH 224233 gsulussuluKatalizoumlr
2
Buguumlne kadar ccedileşitli katalizoumlrler ABrsquonin hidroliziyle test edilmiştir AB hidrolizinde en
yuumlksek hidrojen gazı salınımını soy metaller (Pt Ru Rh Pd) ya da bu metallerin
bimetalik formundaki katalizoumlrler goumlstermiştir Soy metaller arasında Pd diğerlerine
goumlre daha ucuz olması ve ABrsquonin dehidrojenlenmesinde umut vaat eden aktivitesi ile en
iyi seccedilenek olarak kabul edilmektedir
Diğer taraftan birinci sıra geccediliş metalleri (Fe Co Ni Cu) varlığında Pdrsquonin bimetalik
NPrsquolerinin hazırlanmasıyla daha ekonomik ve daha aktif Pd katalizoumlrlerin sentezi
gerccedilekleştirilir Literatuumlrde karbon destekli CoPd (Sun et al 2011) ve İGO destekli
NiPd alaşım NPrsquolerinin (Ccediliftci and Metin 2014) ABrsquonin hidrolitik
dehidrojenlenmesinde yuumlksek katalitik etkinliğe sahip katalizoumlrler oldukları grubumuz
tarafından bildirildi Ancak ABrsquonin dehidrojenlenmesi uumlzerine detaylı bir literatuumlr
taraması yapıldığında Cu esaslı katalizoumlrlerin ABrsquonin hidrolizinde sınırlı sayıda
ccedilalışılmış olduğu ve aktivitelerinin duumlşuumlk olduğu goumlruumllmektedir Oumlrneğin İGO-Cu
katalizoumlruuml (Yang et al 2014) ABrsquonin hidrolizindeki ccedilevrim frekansının (TOF) 361dk-1
olduğu bildirilmiştir Bununla birlikte İGO-CuRu alaşım NPrsquolerinin (Cao et al 2014)
AB ile hidrolizinde TOF değeri 135dk-1
olarak bildirilmiştir Bu ve buna benzer
ccedilalışmalar bize bir soy metal ile ucuz olan Cursquonun bimetalik NPrsquolerinin hazırlanması ile
ABrsquonin hidrolizi iccedilin etkin ve ekonomik katalizoumlrler geliştirilebileceğini goumlstermektedir
Biz de bu motivasyon ve daha oumlnce bildirdiğimiz CoPd ve NiPd alaşım NPrsquolerinin
ABrsquonin hidrolizindeki aktivitelerini goumlz oumlnuumlne alarak bu tez ccedilalışmasında İGOrsquoya
desteklenmiş CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinliklerini
inceledik Bu tez ccedilalışması CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde test edilmesi
youmlnuumlnden literatuumlrde ilk oumlrnektir Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri
Cu(acac)2 ve Pd(acac)2 başlangıccedil metal tuzlarının OAm ve ODE iccedilerisinde 80degCrsquode eş
zamanlı indirgenmesi yolu ile sentezlendi Mevcut reccedilete ile CuPd NPrsquolerinin
kompozisyon kontrolluuml sentezi gerccedilekleştirildi ve CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı
kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25) sentezlendi CuPd alaşım NPrsquolerinin
sentezlenen uumlccedil farklı kompozisyonu İGOrsquoya desteklendi ve ABrsquonin hidrolizinde
katalizoumlr olarak test edildi Test edilen kompozisyonlar arasında en yuumlksek katalitik
3
etkinliği 131dk-1
ccedilevrim frekansı ile İGO-Cu75Pd25 goumlsterdi İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruumlnuumln katalitik etkinliği 400degCrsquode Ar-H2(5H2) gaz atmosferinde 1 saat
tavlama yolu ile 299dk-1
ccedilevrim frekansına artırıldı Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile
hidrolizindeki kinetiği katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak
ccedilalışılarak tepkimenin hız yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
4
2 KAYNAK OumlZETLERİ
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri
Periyodik cetvelin sol uumlst koumlşesinde yer alan hidrojenin ccedilekirdeğinde bir proton ve dış
youmlruumlngesinde bir elektron vardır En hafif element olarak bilinen hidrojenin atomik
kuumltlesi 100794gmolrsquoduumlr Standart sıcaklık ve basınccedil altında hidrojen renksiz kokusuz
tatsız metalik olmayan yoğunluğu havadan 144 kez daha hafif olan bir elementtir
Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz bileşikler halinde bulunur En ccedilok bilinen
bileşiği ise sudur Temiz enerji taşıyıcı olarak hidrojen kuumltle bazında yuumlksek bir spesifik
enerjiye sahiptir (oumlrneğin hidrojenin 95kg enerji iccedileriği benzinin 25kg enerjisine
eşdeğerdir) Hidrojen doğalgaz koumlmuumlr ağır hidrokarbonların gazlaştırılması buhar
reformasyonu suyun elektrolizi termokimyasal ayrışma gibi birccedilok teknikle ile elde
edilebilir (Momirlan and Veziroğlu 2005)
Bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin kullanılması CO2 emisyonlarını azaltmak iccedilin
uzun vadeli bir seccedilenektir Yenilenebilir enerji kaynaklarından uumlretilen hidrojen
gelecekteki enerji ihtiyacının buumlyuumlk boumlluumlmuumlnuuml karşılayıp ccedilevre kirliliğinin oumlnuumlne
geccedilecektir
Hidrojen petrokimya gıda mikroelektronik demir ve polimer sentezinde kimyasal
hammadde olarak kullanılan sistemlerde enerji taşıyıcı olarak avantajlı ve temiz
suumlrduumlruumllebilir enerji sistemlerinde kullanılmaktadır (Midilli et al 2005) Aynı zamanda
organik sentezlerde de yaygın olarak kullanılan bir indirgendir
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir Fakat doğada saf halde bulunmaz diğer
elementlerle bileşikler halinde bulunur
5
Bu yuumlzden hidrojenin uumlretimi iccedilin birccedilok metot bulunmaktadır Aşağıda hidrojen uumlretim
metodlarının en yaygın olanlarından kısaca bahsedilmektedir
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması
Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500degC sıcaklığa kadar olan suumlreccedil
piroliz safhası olup burada karbon gazlar ve katran elde edilir Yuumlksek sıcaklık ve
basınccedil uygulandığında karbon su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 uumlretilir
(Besancon et al 2009)
211b Buhar reformasyonu
Hidrojen uumlretimi iccedilin en yaygın olarak kullanılan youmlntemdir Reaksiyon yuumlksek basınccedil
ve sıcaklıkta Ni katalizoumlruuml eşliğinde gerccedilekleşir Endotermik bir reaksiyon olup ihtiyaccedil
duyulan enerjinin bir kısmı metan gazının yanması ile elde edilir (Kothari et al 2008)
211c Kvaerner youmlntemi
Bu teknik yuumlksek sıcaklıklarda hidrokarbonlardan elektrik akımı geccedilirilerek aktif
karbon ve hidrojen uumlretiminin gerccedilekleştirilmesi esasına dayanır Suumlreccedil sonunda CO2
oluşmaması diğer youmlntemlere goumlre bir avantaj sağlar Oluşan mevcut enerjinin yaklaşık
olarak 40rsquoını aktif karbon (AC) 48rsquoini hidrojen ve 10rsquonunu su buharı oluşturur
CH4 H2O CO +
CO H2O CO2 H2 +
CO 3H2 CH4 H2 +
3H2
CnH
m Enerji nC m2 H
2 + +
+
+
+
6
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu katalizoumlre ihtiyaccedil olmadan duumlşuumlk basınccedil altında
gerccedilekleşir Kısmi oksidasyon işleminin dezavantajı ise ortama CO2 ile birlikte aynı
zamanda CO gazı accedilığa ccedilıkarmasıdır Ccedilıkan CO gazıda elde edilen hidrojenin kullanım
alanını kısıtlamaktadır Ortalama verim 50 civarındadır (Dinccediler 2002)
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses
211e Suyun elektrolizi
Sudan elektrik akımı geccedilirerek su molekuumlllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını
sağlar Bu teknik hidrojen uumlretimi iccedilin bilinen en kolay youmlntemdir Hidrojen uumlretiminde
atmosfere herhangi bir kirletici gaz accedilığa ccedilıkarmadığından dolayı diğer youmlntemlere goumlre
avantajlı fakat fosil yakıtlara goumlre yuumlksek maliyetlidir (Acar and Dinccediler 2014) Ancak
elektroliz iccedilin gereken enerji yine fosil yakıtlardan sağlandığı iccedilin gelecekte yaygın
kullanımı konusunda şuumlpheler vardır
211f Suyun termal bozulması
Su buharının hidrojen ve oksijene ayrılması iccedilin ısının kullanıldığı bir metottur Basit
bir uygulamadır Suyun ccedilok yuumlksek sıcaklığa (3400K) ısıtılması ile doumlnuumlşuumlm gerccedilekleşir
(Dinccediler 2002)
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
2
Buguumlne kadar ccedileşitli katalizoumlrler ABrsquonin hidroliziyle test edilmiştir AB hidrolizinde en
yuumlksek hidrojen gazı salınımını soy metaller (Pt Ru Rh Pd) ya da bu metallerin
bimetalik formundaki katalizoumlrler goumlstermiştir Soy metaller arasında Pd diğerlerine
goumlre daha ucuz olması ve ABrsquonin dehidrojenlenmesinde umut vaat eden aktivitesi ile en
iyi seccedilenek olarak kabul edilmektedir
Diğer taraftan birinci sıra geccediliş metalleri (Fe Co Ni Cu) varlığında Pdrsquonin bimetalik
NPrsquolerinin hazırlanmasıyla daha ekonomik ve daha aktif Pd katalizoumlrlerin sentezi
gerccedilekleştirilir Literatuumlrde karbon destekli CoPd (Sun et al 2011) ve İGO destekli
NiPd alaşım NPrsquolerinin (Ccediliftci and Metin 2014) ABrsquonin hidrolitik
dehidrojenlenmesinde yuumlksek katalitik etkinliğe sahip katalizoumlrler oldukları grubumuz
tarafından bildirildi Ancak ABrsquonin dehidrojenlenmesi uumlzerine detaylı bir literatuumlr
taraması yapıldığında Cu esaslı katalizoumlrlerin ABrsquonin hidrolizinde sınırlı sayıda
ccedilalışılmış olduğu ve aktivitelerinin duumlşuumlk olduğu goumlruumllmektedir Oumlrneğin İGO-Cu
katalizoumlruuml (Yang et al 2014) ABrsquonin hidrolizindeki ccedilevrim frekansının (TOF) 361dk-1
olduğu bildirilmiştir Bununla birlikte İGO-CuRu alaşım NPrsquolerinin (Cao et al 2014)
AB ile hidrolizinde TOF değeri 135dk-1
olarak bildirilmiştir Bu ve buna benzer
ccedilalışmalar bize bir soy metal ile ucuz olan Cursquonun bimetalik NPrsquolerinin hazırlanması ile
ABrsquonin hidrolizi iccedilin etkin ve ekonomik katalizoumlrler geliştirilebileceğini goumlstermektedir
Biz de bu motivasyon ve daha oumlnce bildirdiğimiz CoPd ve NiPd alaşım NPrsquolerinin
ABrsquonin hidrolizindeki aktivitelerini goumlz oumlnuumlne alarak bu tez ccedilalışmasında İGOrsquoya
desteklenmiş CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinliklerini
inceledik Bu tez ccedilalışması CuPd alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde test edilmesi
youmlnuumlnden literatuumlrde ilk oumlrnektir Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri
Cu(acac)2 ve Pd(acac)2 başlangıccedil metal tuzlarının OAm ve ODE iccedilerisinde 80degCrsquode eş
zamanlı indirgenmesi yolu ile sentezlendi Mevcut reccedilete ile CuPd NPrsquolerinin
kompozisyon kontrolluuml sentezi gerccedilekleştirildi ve CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı
kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25) sentezlendi CuPd alaşım NPrsquolerinin
sentezlenen uumlccedil farklı kompozisyonu İGOrsquoya desteklendi ve ABrsquonin hidrolizinde
katalizoumlr olarak test edildi Test edilen kompozisyonlar arasında en yuumlksek katalitik
3
etkinliği 131dk-1
ccedilevrim frekansı ile İGO-Cu75Pd25 goumlsterdi İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruumlnuumln katalitik etkinliği 400degCrsquode Ar-H2(5H2) gaz atmosferinde 1 saat
tavlama yolu ile 299dk-1
ccedilevrim frekansına artırıldı Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile
hidrolizindeki kinetiği katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak
ccedilalışılarak tepkimenin hız yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
4
2 KAYNAK OumlZETLERİ
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri
Periyodik cetvelin sol uumlst koumlşesinde yer alan hidrojenin ccedilekirdeğinde bir proton ve dış
youmlruumlngesinde bir elektron vardır En hafif element olarak bilinen hidrojenin atomik
kuumltlesi 100794gmolrsquoduumlr Standart sıcaklık ve basınccedil altında hidrojen renksiz kokusuz
tatsız metalik olmayan yoğunluğu havadan 144 kez daha hafif olan bir elementtir
Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz bileşikler halinde bulunur En ccedilok bilinen
bileşiği ise sudur Temiz enerji taşıyıcı olarak hidrojen kuumltle bazında yuumlksek bir spesifik
enerjiye sahiptir (oumlrneğin hidrojenin 95kg enerji iccedileriği benzinin 25kg enerjisine
eşdeğerdir) Hidrojen doğalgaz koumlmuumlr ağır hidrokarbonların gazlaştırılması buhar
reformasyonu suyun elektrolizi termokimyasal ayrışma gibi birccedilok teknikle ile elde
edilebilir (Momirlan and Veziroğlu 2005)
Bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin kullanılması CO2 emisyonlarını azaltmak iccedilin
uzun vadeli bir seccedilenektir Yenilenebilir enerji kaynaklarından uumlretilen hidrojen
gelecekteki enerji ihtiyacının buumlyuumlk boumlluumlmuumlnuuml karşılayıp ccedilevre kirliliğinin oumlnuumlne
geccedilecektir
Hidrojen petrokimya gıda mikroelektronik demir ve polimer sentezinde kimyasal
hammadde olarak kullanılan sistemlerde enerji taşıyıcı olarak avantajlı ve temiz
suumlrduumlruumllebilir enerji sistemlerinde kullanılmaktadır (Midilli et al 2005) Aynı zamanda
organik sentezlerde de yaygın olarak kullanılan bir indirgendir
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir Fakat doğada saf halde bulunmaz diğer
elementlerle bileşikler halinde bulunur
5
Bu yuumlzden hidrojenin uumlretimi iccedilin birccedilok metot bulunmaktadır Aşağıda hidrojen uumlretim
metodlarının en yaygın olanlarından kısaca bahsedilmektedir
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması
Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500degC sıcaklığa kadar olan suumlreccedil
piroliz safhası olup burada karbon gazlar ve katran elde edilir Yuumlksek sıcaklık ve
basınccedil uygulandığında karbon su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 uumlretilir
(Besancon et al 2009)
211b Buhar reformasyonu
Hidrojen uumlretimi iccedilin en yaygın olarak kullanılan youmlntemdir Reaksiyon yuumlksek basınccedil
ve sıcaklıkta Ni katalizoumlruuml eşliğinde gerccedilekleşir Endotermik bir reaksiyon olup ihtiyaccedil
duyulan enerjinin bir kısmı metan gazının yanması ile elde edilir (Kothari et al 2008)
211c Kvaerner youmlntemi
Bu teknik yuumlksek sıcaklıklarda hidrokarbonlardan elektrik akımı geccedilirilerek aktif
karbon ve hidrojen uumlretiminin gerccedilekleştirilmesi esasına dayanır Suumlreccedil sonunda CO2
oluşmaması diğer youmlntemlere goumlre bir avantaj sağlar Oluşan mevcut enerjinin yaklaşık
olarak 40rsquoını aktif karbon (AC) 48rsquoini hidrojen ve 10rsquonunu su buharı oluşturur
CH4 H2O CO +
CO H2O CO2 H2 +
CO 3H2 CH4 H2 +
3H2
CnH
m Enerji nC m2 H
2 + +
+
+
+
6
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu katalizoumlre ihtiyaccedil olmadan duumlşuumlk basınccedil altında
gerccedilekleşir Kısmi oksidasyon işleminin dezavantajı ise ortama CO2 ile birlikte aynı
zamanda CO gazı accedilığa ccedilıkarmasıdır Ccedilıkan CO gazıda elde edilen hidrojenin kullanım
alanını kısıtlamaktadır Ortalama verim 50 civarındadır (Dinccediler 2002)
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses
211e Suyun elektrolizi
Sudan elektrik akımı geccedilirerek su molekuumlllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını
sağlar Bu teknik hidrojen uumlretimi iccedilin bilinen en kolay youmlntemdir Hidrojen uumlretiminde
atmosfere herhangi bir kirletici gaz accedilığa ccedilıkarmadığından dolayı diğer youmlntemlere goumlre
avantajlı fakat fosil yakıtlara goumlre yuumlksek maliyetlidir (Acar and Dinccediler 2014) Ancak
elektroliz iccedilin gereken enerji yine fosil yakıtlardan sağlandığı iccedilin gelecekte yaygın
kullanımı konusunda şuumlpheler vardır
211f Suyun termal bozulması
Su buharının hidrojen ve oksijene ayrılması iccedilin ısının kullanıldığı bir metottur Basit
bir uygulamadır Suyun ccedilok yuumlksek sıcaklığa (3400K) ısıtılması ile doumlnuumlşuumlm gerccedilekleşir
(Dinccediler 2002)
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
3
etkinliği 131dk-1
ccedilevrim frekansı ile İGO-Cu75Pd25 goumlsterdi İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruumlnuumln katalitik etkinliği 400degCrsquode Ar-H2(5H2) gaz atmosferinde 1 saat
tavlama yolu ile 299dk-1
ccedilevrim frekansına artırıldı Cu75Pd25 NPrsquolerin AB ile
hidrolizindeki kinetiği katalizoumlr miktarı substrat miktarı ve sıcaklığa bağlı olarak
ccedilalışılarak tepkimenin hız yasası ve aktivasyon enerjisi belirlendi
4
2 KAYNAK OumlZETLERİ
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri
Periyodik cetvelin sol uumlst koumlşesinde yer alan hidrojenin ccedilekirdeğinde bir proton ve dış
youmlruumlngesinde bir elektron vardır En hafif element olarak bilinen hidrojenin atomik
kuumltlesi 100794gmolrsquoduumlr Standart sıcaklık ve basınccedil altında hidrojen renksiz kokusuz
tatsız metalik olmayan yoğunluğu havadan 144 kez daha hafif olan bir elementtir
Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz bileşikler halinde bulunur En ccedilok bilinen
bileşiği ise sudur Temiz enerji taşıyıcı olarak hidrojen kuumltle bazında yuumlksek bir spesifik
enerjiye sahiptir (oumlrneğin hidrojenin 95kg enerji iccedileriği benzinin 25kg enerjisine
eşdeğerdir) Hidrojen doğalgaz koumlmuumlr ağır hidrokarbonların gazlaştırılması buhar
reformasyonu suyun elektrolizi termokimyasal ayrışma gibi birccedilok teknikle ile elde
edilebilir (Momirlan and Veziroğlu 2005)
Bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin kullanılması CO2 emisyonlarını azaltmak iccedilin
uzun vadeli bir seccedilenektir Yenilenebilir enerji kaynaklarından uumlretilen hidrojen
gelecekteki enerji ihtiyacının buumlyuumlk boumlluumlmuumlnuuml karşılayıp ccedilevre kirliliğinin oumlnuumlne
geccedilecektir
Hidrojen petrokimya gıda mikroelektronik demir ve polimer sentezinde kimyasal
hammadde olarak kullanılan sistemlerde enerji taşıyıcı olarak avantajlı ve temiz
suumlrduumlruumllebilir enerji sistemlerinde kullanılmaktadır (Midilli et al 2005) Aynı zamanda
organik sentezlerde de yaygın olarak kullanılan bir indirgendir
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir Fakat doğada saf halde bulunmaz diğer
elementlerle bileşikler halinde bulunur
5
Bu yuumlzden hidrojenin uumlretimi iccedilin birccedilok metot bulunmaktadır Aşağıda hidrojen uumlretim
metodlarının en yaygın olanlarından kısaca bahsedilmektedir
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması
Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500degC sıcaklığa kadar olan suumlreccedil
piroliz safhası olup burada karbon gazlar ve katran elde edilir Yuumlksek sıcaklık ve
basınccedil uygulandığında karbon su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 uumlretilir
(Besancon et al 2009)
211b Buhar reformasyonu
Hidrojen uumlretimi iccedilin en yaygın olarak kullanılan youmlntemdir Reaksiyon yuumlksek basınccedil
ve sıcaklıkta Ni katalizoumlruuml eşliğinde gerccedilekleşir Endotermik bir reaksiyon olup ihtiyaccedil
duyulan enerjinin bir kısmı metan gazının yanması ile elde edilir (Kothari et al 2008)
211c Kvaerner youmlntemi
Bu teknik yuumlksek sıcaklıklarda hidrokarbonlardan elektrik akımı geccedilirilerek aktif
karbon ve hidrojen uumlretiminin gerccedilekleştirilmesi esasına dayanır Suumlreccedil sonunda CO2
oluşmaması diğer youmlntemlere goumlre bir avantaj sağlar Oluşan mevcut enerjinin yaklaşık
olarak 40rsquoını aktif karbon (AC) 48rsquoini hidrojen ve 10rsquonunu su buharı oluşturur
CH4 H2O CO +
CO H2O CO2 H2 +
CO 3H2 CH4 H2 +
3H2
CnH
m Enerji nC m2 H
2 + +
+
+
+
6
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu katalizoumlre ihtiyaccedil olmadan duumlşuumlk basınccedil altında
gerccedilekleşir Kısmi oksidasyon işleminin dezavantajı ise ortama CO2 ile birlikte aynı
zamanda CO gazı accedilığa ccedilıkarmasıdır Ccedilıkan CO gazıda elde edilen hidrojenin kullanım
alanını kısıtlamaktadır Ortalama verim 50 civarındadır (Dinccediler 2002)
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses
211e Suyun elektrolizi
Sudan elektrik akımı geccedilirerek su molekuumlllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını
sağlar Bu teknik hidrojen uumlretimi iccedilin bilinen en kolay youmlntemdir Hidrojen uumlretiminde
atmosfere herhangi bir kirletici gaz accedilığa ccedilıkarmadığından dolayı diğer youmlntemlere goumlre
avantajlı fakat fosil yakıtlara goumlre yuumlksek maliyetlidir (Acar and Dinccediler 2014) Ancak
elektroliz iccedilin gereken enerji yine fosil yakıtlardan sağlandığı iccedilin gelecekte yaygın
kullanımı konusunda şuumlpheler vardır
211f Suyun termal bozulması
Su buharının hidrojen ve oksijene ayrılması iccedilin ısının kullanıldığı bir metottur Basit
bir uygulamadır Suyun ccedilok yuumlksek sıcaklığa (3400K) ısıtılması ile doumlnuumlşuumlm gerccedilekleşir
(Dinccediler 2002)
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
4
2 KAYNAK OumlZETLERİ
21 Enerji Taşıyıcı Olarak Hidrojen ve Oumlzellikleri
Periyodik cetvelin sol uumlst koumlşesinde yer alan hidrojenin ccedilekirdeğinde bir proton ve dış
youmlruumlngesinde bir elektron vardır En hafif element olarak bilinen hidrojenin atomik
kuumltlesi 100794gmolrsquoduumlr Standart sıcaklık ve basınccedil altında hidrojen renksiz kokusuz
tatsız metalik olmayan yoğunluğu havadan 144 kez daha hafif olan bir elementtir
Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz bileşikler halinde bulunur En ccedilok bilinen
bileşiği ise sudur Temiz enerji taşıyıcı olarak hidrojen kuumltle bazında yuumlksek bir spesifik
enerjiye sahiptir (oumlrneğin hidrojenin 95kg enerji iccedileriği benzinin 25kg enerjisine
eşdeğerdir) Hidrojen doğalgaz koumlmuumlr ağır hidrokarbonların gazlaştırılması buhar
reformasyonu suyun elektrolizi termokimyasal ayrışma gibi birccedilok teknikle ile elde
edilebilir (Momirlan and Veziroğlu 2005)
Bir enerji taşıyıcısı olarak hidrojenin kullanılması CO2 emisyonlarını azaltmak iccedilin
uzun vadeli bir seccedilenektir Yenilenebilir enerji kaynaklarından uumlretilen hidrojen
gelecekteki enerji ihtiyacının buumlyuumlk boumlluumlmuumlnuuml karşılayıp ccedilevre kirliliğinin oumlnuumlne
geccedilecektir
Hidrojen petrokimya gıda mikroelektronik demir ve polimer sentezinde kimyasal
hammadde olarak kullanılan sistemlerde enerji taşıyıcı olarak avantajlı ve temiz
suumlrduumlruumllebilir enerji sistemlerinde kullanılmaktadır (Midilli et al 2005) Aynı zamanda
organik sentezlerde de yaygın olarak kullanılan bir indirgendir
211 Hidrojen Uumlretim Youmlntemleri
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir Fakat doğada saf halde bulunmaz diğer
elementlerle bileşikler halinde bulunur
5
Bu yuumlzden hidrojenin uumlretimi iccedilin birccedilok metot bulunmaktadır Aşağıda hidrojen uumlretim
metodlarının en yaygın olanlarından kısaca bahsedilmektedir
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması
Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500degC sıcaklığa kadar olan suumlreccedil
piroliz safhası olup burada karbon gazlar ve katran elde edilir Yuumlksek sıcaklık ve
basınccedil uygulandığında karbon su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 uumlretilir
(Besancon et al 2009)
211b Buhar reformasyonu
Hidrojen uumlretimi iccedilin en yaygın olarak kullanılan youmlntemdir Reaksiyon yuumlksek basınccedil
ve sıcaklıkta Ni katalizoumlruuml eşliğinde gerccedilekleşir Endotermik bir reaksiyon olup ihtiyaccedil
duyulan enerjinin bir kısmı metan gazının yanması ile elde edilir (Kothari et al 2008)
211c Kvaerner youmlntemi
Bu teknik yuumlksek sıcaklıklarda hidrokarbonlardan elektrik akımı geccedilirilerek aktif
karbon ve hidrojen uumlretiminin gerccedilekleştirilmesi esasına dayanır Suumlreccedil sonunda CO2
oluşmaması diğer youmlntemlere goumlre bir avantaj sağlar Oluşan mevcut enerjinin yaklaşık
olarak 40rsquoını aktif karbon (AC) 48rsquoini hidrojen ve 10rsquonunu su buharı oluşturur
CH4 H2O CO +
CO H2O CO2 H2 +
CO 3H2 CH4 H2 +
3H2
CnH
m Enerji nC m2 H
2 + +
+
+
+
6
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu katalizoumlre ihtiyaccedil olmadan duumlşuumlk basınccedil altında
gerccedilekleşir Kısmi oksidasyon işleminin dezavantajı ise ortama CO2 ile birlikte aynı
zamanda CO gazı accedilığa ccedilıkarmasıdır Ccedilıkan CO gazıda elde edilen hidrojenin kullanım
alanını kısıtlamaktadır Ortalama verim 50 civarındadır (Dinccediler 2002)
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses
211e Suyun elektrolizi
Sudan elektrik akımı geccedilirerek su molekuumlllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını
sağlar Bu teknik hidrojen uumlretimi iccedilin bilinen en kolay youmlntemdir Hidrojen uumlretiminde
atmosfere herhangi bir kirletici gaz accedilığa ccedilıkarmadığından dolayı diğer youmlntemlere goumlre
avantajlı fakat fosil yakıtlara goumlre yuumlksek maliyetlidir (Acar and Dinccediler 2014) Ancak
elektroliz iccedilin gereken enerji yine fosil yakıtlardan sağlandığı iccedilin gelecekte yaygın
kullanımı konusunda şuumlpheler vardır
211f Suyun termal bozulması
Su buharının hidrojen ve oksijene ayrılması iccedilin ısının kullanıldığı bir metottur Basit
bir uygulamadır Suyun ccedilok yuumlksek sıcaklığa (3400K) ısıtılması ile doumlnuumlşuumlm gerccedilekleşir
(Dinccediler 2002)
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
5
Bu yuumlzden hidrojenin uumlretimi iccedilin birccedilok metot bulunmaktadır Aşağıda hidrojen uumlretim
metodlarının en yaygın olanlarından kısaca bahsedilmektedir
211a Koumlmuumlruumln gazlaştırılması
Organik maddelerin gazlaştırılmasında yaklaşık 500degC sıcaklığa kadar olan suumlreccedil
piroliz safhası olup burada karbon gazlar ve katran elde edilir Yuumlksek sıcaklık ve
basınccedil uygulandığında karbon su buharıyla tepkimeye girerek CO ve H2 uumlretilir
(Besancon et al 2009)
211b Buhar reformasyonu
Hidrojen uumlretimi iccedilin en yaygın olarak kullanılan youmlntemdir Reaksiyon yuumlksek basınccedil
ve sıcaklıkta Ni katalizoumlruuml eşliğinde gerccedilekleşir Endotermik bir reaksiyon olup ihtiyaccedil
duyulan enerjinin bir kısmı metan gazının yanması ile elde edilir (Kothari et al 2008)
211c Kvaerner youmlntemi
Bu teknik yuumlksek sıcaklıklarda hidrokarbonlardan elektrik akımı geccedilirilerek aktif
karbon ve hidrojen uumlretiminin gerccedilekleştirilmesi esasına dayanır Suumlreccedil sonunda CO2
oluşmaması diğer youmlntemlere goumlre bir avantaj sağlar Oluşan mevcut enerjinin yaklaşık
olarak 40rsquoını aktif karbon (AC) 48rsquoini hidrojen ve 10rsquonunu su buharı oluşturur
CH4 H2O CO +
CO H2O CO2 H2 +
CO 3H2 CH4 H2 +
3H2
CnH
m Enerji nC m2 H
2 + +
+
+
+
6
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu katalizoumlre ihtiyaccedil olmadan duumlşuumlk basınccedil altında
gerccedilekleşir Kısmi oksidasyon işleminin dezavantajı ise ortama CO2 ile birlikte aynı
zamanda CO gazı accedilığa ccedilıkarmasıdır Ccedilıkan CO gazıda elde edilen hidrojenin kullanım
alanını kısıtlamaktadır Ortalama verim 50 civarındadır (Dinccediler 2002)
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses
211e Suyun elektrolizi
Sudan elektrik akımı geccedilirerek su molekuumlllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını
sağlar Bu teknik hidrojen uumlretimi iccedilin bilinen en kolay youmlntemdir Hidrojen uumlretiminde
atmosfere herhangi bir kirletici gaz accedilığa ccedilıkarmadığından dolayı diğer youmlntemlere goumlre
avantajlı fakat fosil yakıtlara goumlre yuumlksek maliyetlidir (Acar and Dinccediler 2014) Ancak
elektroliz iccedilin gereken enerji yine fosil yakıtlardan sağlandığı iccedilin gelecekte yaygın
kullanımı konusunda şuumlpheler vardır
211f Suyun termal bozulması
Su buharının hidrojen ve oksijene ayrılması iccedilin ısının kullanıldığı bir metottur Basit
bir uygulamadır Suyun ccedilok yuumlksek sıcaklığa (3400K) ısıtılması ile doumlnuumlşuumlm gerccedilekleşir
(Dinccediler 2002)
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
6
211d Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu
Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu katalizoumlre ihtiyaccedil olmadan duumlşuumlk basınccedil altında
gerccedilekleşir Kısmi oksidasyon işleminin dezavantajı ise ortama CO2 ile birlikte aynı
zamanda CO gazı accedilığa ccedilıkarmasıdır Ccedilıkan CO gazıda elde edilen hidrojenin kullanım
alanını kısıtlamaktadır Ortalama verim 50 civarındadır (Dinccediler 2002)
Şekil 21 Hidrokarbonların kısmi oksidasyonu iccedilin kullanılan proses
211e Suyun elektrolizi
Sudan elektrik akımı geccedilirerek su molekuumlllerinin hidrojen ve oksijene ayrılmasını
sağlar Bu teknik hidrojen uumlretimi iccedilin bilinen en kolay youmlntemdir Hidrojen uumlretiminde
atmosfere herhangi bir kirletici gaz accedilığa ccedilıkarmadığından dolayı diğer youmlntemlere goumlre
avantajlı fakat fosil yakıtlara goumlre yuumlksek maliyetlidir (Acar and Dinccediler 2014) Ancak
elektroliz iccedilin gereken enerji yine fosil yakıtlardan sağlandığı iccedilin gelecekte yaygın
kullanımı konusunda şuumlpheler vardır
211f Suyun termal bozulması
Su buharının hidrojen ve oksijene ayrılması iccedilin ısının kullanıldığı bir metottur Basit
bir uygulamadır Suyun ccedilok yuumlksek sıcaklığa (3400K) ısıtılması ile doumlnuumlşuumlm gerccedilekleşir
(Dinccediler 2002)
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
7
211g Fotovoltaik huumlcrelerden hirojen uumlretimi
En yuumlksek maliyetli hidrojen uumlretim youmlntemlerinden biridir Mevcut teknolojiyle
fotovoltaik huumlcrelerden elektroliz youmlntemi ile sudan hidrojen uumlretiminin fosil yakıtlara
goumlre maliyeti yaklaşık 25 kat daha yuumlksektir Ccedilalışmalar fotovoltaik huumlcrelerin
maliyetini zamanla duumlşuumlreceğini goumlstermektedir (Joshi et al 2010)
Şekil 22 Fotovoltaik elektroliz ile sudan hirojen uumlretimi sistemi
211h Biyokuumltleden hidrojen uumlretimi
Piroliz youmlntemi ile biyokuumltleden (ormandaki ağaccedil yaprak tarım ve katı atıklar gibi)
hidrojen elde edilir Fosil yakıtlardan hidrojen uumlretimi gibi oumlnce gazlaştırma işlemi
uygulanır ve hidrojen karbonmonoksit metan karbondioksit su buharı ve diğer
hidrokarbonlar oluşur (Cipriani et al 2014)
212 Hidrojen Ekonomisi
Petrol koumlmuumlr ve doğal gaz gibi fosil yakıt kullanımı ile atmosfere salınan CO2 miktarını
oumlnlemek iccedilin hidrojene dayalı ekonominin geliştirilmesi ile hidrojen uumlretimi
gerccedilekleştirilir Hidrojen enerji sistemi suumlrduumlruumllebilirlik hedeflerini karşılarken verimli
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
8
temiz ve guumlvenli bir şekilde geniş bir uygulama aralığında yuumlksek kaliteli enerji hizmeti
sunmak iccedilin uygun bir seccedilenek ve avantajlı olarak kabul edilir (Reddy 2006)
Hidrojene dayalı ekonominin gerccedilekleşmesindeki en buumlyuumlk zorluk hidrojeni guumlvenli
olarak depolama ve taşımadır (Adams and Chen 2011) Otomotiv uygulamalarında
hidrojen depolama iccedilin ccedilalışma kapsamındaki malzemeler kimyasal hidruumlrler metal
hidruumlrler ve karbon malzemelerdir
2009 yılında ABD Enerji Bakanlığı tarafından hidrojen depolama malzemelerinin
iccedileriği belirlenmiştir İdeal hidrojen depolama malzemelerinde olması gereken
oumlzellikler yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalı hafif ucuz kararlı tersinir
kolaylıkla temin edilebilmeli ve uygun termodinamik oumlzelliklere sahip olmalıdır
(Niemann et al 2008)
213 Hidrojen Depolama
Hidrojen fiziksel olarak yuumlksek basınccedillı gaz halde ve sıvı halde kimyasal olarak ise
metal hidruumlrler ve kimyasal hidruumlrler şeklinde depolanır Hidrojen araccedillarda taşınabilir
sistemlerde yakıt olarak kullanıldığında deponun boyutu guumlvenilirliği ve yol alabileceği
mesafe oldukccedila oumlnemlidir
213a Fiziksel olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Sıkıştırılmış gaz
Hidrojen depolama iccedilin en yaygın kullanılan youmlntemdir Yakıt huumlcreli araccedillar da
hidrojen tankları sıkıştırılarak depolama yapılır Bu youmlntemde yuumlksek basınccedil
uygulandığından dolayı depolama tankları ccedilok ağır olmaktadırlar Bu da hidrojenden
alınacak olan verimi duumlşuumlruumlr (Hwang and Varma 2014)
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
9
Şekil 23 Hidrojenin gaz fazında depolanmasıyla yaşanacak zorluğu goumlsteren bir
karikatuumlr
Sıvı hidrojen
Hidrojenin hacimsel kapasitesi sıvılaştırılarak artırılabilir Hidrojen 1 atmosfer basınccedil
altında 20K sıcaklıkta sıvılaşır Oumlrneğin teorikte 300K sıcaklıkta sıkıştırılmış gaz
halinde 24gL iken sıvılaştırılarak hidrojen kapasitesini 70gLrsquoye artırılabilir (Hwang
and Varma 2014)
213b Kimyasal olarak hidrojen depolama youmlntemleri
Metal hidruumlrler
Metal hidruumlr sistemi ile depolama tekniğinde hidrojen granuumller metallerin atomları
arasındaki boşluğa depolanır Bu teknikte metal hidruumlrler ccedilok hızlı bir şekilde hidrojeni
absorbe ederler ve ısıtıldıkları zaman hidrojeni serbest bırakırlar Genellikle emilen
hidrojen numunenin toplam ağırlığının yaklaşık olarak 2rsquosini oluşturmaktadır Bazı
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
10
metal hidruumlrler yuumlksek sıcaklıklarda ağırlıkccedila 7 hidrojen depolayabilmektedir Ayrıca
depolama da metal hidruumlr sistemi guumlvenilirdir (Pudukudy et al 2014)
Kimyasal hidruumlrler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde alaşımlarda hidruumlr olarak geri doumlnuumlşuumlmluuml ve katı
halde depolanabilmektedir Bu youmlntem fiziksel depolama youmlntemlerine goumlre avantaj
sağlamaktadır (Oriňaacutekovaacute and Oriňak 2011) Kimyasal hidruumlrler metal hidruumlrlere goumlre
daha hafif ve daha yuumlksek enerji yoğunlukluğuna sahiptir (Staubitz et al 2010)
Kimyasal hidrojen depolama malzemesinde olması gereken oumlzellikler
Yuumlksek hidrojen kapasitesine sahip olmalıdır
Kinetiği hızlı olmalıdır
Termodinamik olmalıdır
Ekonomik olmalıdır
Geri doumlnuumlşuumlmluuml olmalıdır
Duumlşuumlk molekuumll ağırlığına sahip olmalıdır (Ma and Zhou 2010)
Şekil 24rsquode kuumltlece hidrojen miktarlarına karşı hacimce hidrojen yoğunluğu grafik
edildiğinde farklı kimyasal hidrojen depolama malzemeleri arasında en yuumlksek hidrojen
kapasitesine sahip olan AB (NH3BH3) olduğu grafikte goumlruumllmektedir
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
11
Şekil 24 Kimyasal hidrojen depolama malzemelerinin kuumltlece ve hacimce iccedilerdikleri
hidrojen miktarına goumlre karşılaştırılması
214 Amonyak Boranrsquoın Oumlzellikleri
AB (NH3BH3) kuumltlece 196 hidrojen iccedilerir Suda ccediloumlzuumlnuumlrluumlğuuml yuumlksektir ve sulu
ccediloumlzeltilerinde uzun suumlre kararlıdır Toksik olmaması ve molekuumll ağırlığının
(3087gmol) duumlşuumlk olması sebebiyle katı hidrojen depolama malzemesi olarak tercih
edilir Oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında 1mol ABrsquoden 3mol H2(g) accedilığa ccedilıkar
Şekil 25 Amonyak boran kompleksinin molekuumll yapısı
ABrsquoden hidrojen farklı youmlntemlerle accedilığa ccedilıkabilir Bunlar termoliz dehidrojenlenme
ve solvoliz (hidroliz ve metanoliz) youmlntemleridir (Metin et al 2011)
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
12
214a Termoliz
Termoliz ABrsquoden hidrojen salınımı iccedilin kullanılan youmlntemlerdendir ABrsquonin yuumlksek
sıcaklıklarda ( gt500degC) parccedilalanmasıyla bor nitruumlr ve hidrojen gazı elde edilir 1mol
ABrsquoden 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkar (Basu et al 2011) Ancak 3mol hidrojen gazı
salınımı iccedilin yuumlksek sıcaklıklara ihtiyaccedil vardır
214b Dehidrojenlenme
Dehidrojenlenme hidrojen iccedileren substrattan hidrojenin ayrılmasıdır (Stephens et al
2007) ABrsquonin dehidrojenasyonu uygun katalizoumlr varlığında organik ccediloumlzuumlcuumller
iccedilerisinde gerccedilekleşir Aşağıdaki ABrsquonin dehidrojenasyonunu ifade eden tepkime
denklemi goumlsterilmektedir
214c Solvoliz
Solvoliz bir ccediloumlzuumlnen maddenin ccediloumlzuumlcuuml molekuumllleri tarafından sarmalanması durumuna
denir Eğer ccediloumlzuumlnen madde su ile tepkimeye girip kimyasal bağı parccedilalarsa bu işleme de
hidroliz denir ABrsquonin hidrolizi oda sıcaklığında uygun katalizoumlr varlığında gerccedilekleşir
(Metin et al 2010) ve 1mol AB 3mol hidrojen gazı accedilığa ccedilıkarır (Basu et al 2011)
ABrsquonin hidrolizi taşınılabilir sistemlerde hidrojen depolama uygulamaları iccedilin en
uygun youmlntemdir (Metin and Oumlzkar 2011)
H3NBH
3 + ısı BN + 3 H
2 (g)
T gt 500o
C
n H3NBH
3 [H
2NBH
2]n + 3H
2
Katalizoumlr
NH3BH
3 (sulu) + 2 H
2O
(s) (NH
4)BO
2 (sulu) + 3 H
2 (g)
Katalizoumlr
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
13
22 Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Nanomateryaller kuumllccedile metallere goumlre sıradışı fiziksel ve kimyasal oumlzelliklere
sahiptirler Bu yuumlzden son yıllarda nanoboyutlu malzemeler buumlyuumlk bir ilgi alanı
oluşturmaktadır Nanomateryaller yarı iletkenler katalizoumlrler fotokatalizoumlrler
manyetik malzemeler ve tıbbi uygulamalarda yerlerini almışlardır (Li et al 2014)
Geccediliş metal NPrsquoler boyutları 1 ile 10nm arasında değişen malzemelerdir Oumlrneğin
metal NPrsquoler kuumllccedile metallerin etkinlik goumlstermediği katalitik tepkimelerde yuumlksek
etkinlik ve seccedilicilik goumlsterebilirler (Schmid 1994) Tepkimelerde goumlsterdikleri yuumlksek
katalitik etkinliğinin sebebi ise parccedilacık boyutlarının kuumlccediluumllmesi ve bununla birlikte
yuumlzeylerinde bulunan katalitikccedile etkin atom sayısının artmasıdır (Aiken and Finke
1999) Geccediliş metal NPrsquolerin sentez yolları ile heterojen katalizoumlrler iccedilin neredeyse
imkansız parccedilacık boyutu ve yuumlzey bileşiminin kontroluumlnuuml temin etmek muumlmkuumlnduumlr
(Zahmakiran and Oumlzkar 2013)
Şekil 26 Tanecik buumlyuumlkluumlğuumlne bağlı olarak yuumlzeydeki atom yuumlzdesi değişimi
(Klabunde et al 1996)
Graphite Graphene (= single sheet) 2D sp2
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
14
Şekil 26rsquoda goumlsterildiği gibi tanecik boyutu kuumlccediluumllduumlkccedile yuumlzeydeki etkin atom yuumlzdesi
artmaktadır Oumlzellikle 5nmrsquonin altında boyuta sahip geccediliş metal NPrsquolerinde yuumlzeydeki
katalitikccedile etkin atom yuumlzdesi ccedilok belirgin bir şekilde artış goumlstermektedir
221 Geccediliş metal nanopartikuumll sentez youmlntemleri
Geccediliş metal NPrsquoleri fiziksel ve kimyasal youmlntemler kullanılarak sentezlenir Fiziksel
youmlntemler yukarıdan aşağıya (Top Down) ve kimyasal youmlntemler aşağıdan yukarıya
(Bottom Up) olarak adlandırılır (Roucoux et al 2002) Şekil 27rsquode bu sentez
youmlntemlerinin şematik goumlsterimi sunulmaktadır
Şekil 27 Geccediliş metal NP sentez youmlntemleri (Roucoux et al 2002)
221a Fiziksel youmlntemle geccediliş metal nanopartikuumll sentezi (Top-down metodu)
Top-down youmlntemi olarak adlandırılan fiziksel youmlntemlerle geccediliş metal NPrsquolerinin
sentezi makro boyuttaki metallerin mekanik olarak oumlğuumltuumllmesikuumlccediluumlltuumllmesi yolu ile
gerccedilekleştirilir
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
15
221b Kimyasal indirgeme youmlntemiyle geccediliş metal nanopartikuumlllerin sentezi
(Bottom-up metodu)
Bottom-up youmlnteminde geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde ise başlangıccedil metal tuzlarının
termolitik fotolitik radyolitik veya kimyasal indirgeme youmlntemleri ile metal oumlncuuml
molekuumlllerinin nanoboyuta doumlnuumlştuumlruumllmesi beklenir Kolloidal metal NPrsquoler genelde
uygun bir ccediloumlzuumlcuuml iccedilinde ccediloumlzuumllmuumlş metal tuzlarının kimyasal olarak indirgenmesi ile
sentezlenmektedir Kimyasal yolla metal NPrsquoler sentezlenirken kullanılacak youmlntem
başlangıccedil metal tuzu indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı reaktif ve ccediloumlzuumlcuuml iccedilerir
(indirgeme reaktifi reaksiyonda bazen hem ccediloumlzuumlcuuml hem de kararlılaştırıcı rol
oynayabilir) Bu doumlrt kimyasal reaktif ve sıcaklık parccedilacık boyutunu kontrol eden
parametrelerdir Metal tuzlarından metal atomlarına indirgenme hızı ve metal
atomlarının buumlyuumlme hızının kontrol edilmesi parccedilacık boyutunun kontrol edilmesini
sağlar (Boumlnnemann and Nagabhushana 2008)
Şekil 28 Kimyasal indirgenme metodu şematik goumlsterim (Boumlnneman and
Nagabhushana 2008)
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
16
Metal NPrsquolerinin sentezinde indirgeme (Pd+2
Pd0
) en oumlnemli aşamadır Eğer
reaksiyon sulu ccediloumlzelti iccedilinde gerccedilekleşiyorsa in situ olarak indirgeme yapılır Sulu
ccediloumlzelti olmayan sistemlerde ise indirgeyici reaktif genellikle hem indirgeyici hem de
ccediloumlzuumlcuuml olarak kullanılır Oumlrneğin alkol gibi ccediloumlzuumlcuumller geccediliş metal NPrsquolerin sentezinde
hem indirgeyici hem de kararlılaştırıcı olarak kullanılır (Schmid 2010)
Parccedilaccedilık buumlyuumlmesi sentez esnasında ccediloumlzelti iccedilerisine kararlılaştırıcılar eklenerek
gerccedilekleştirilir Ccedilekirdeklenme aşaması kısa tutulursa parccedilacıklar tek duumlze dağılıma
sahip olur Parccedilaccedilık buumlyuumlmesinde oumlnemli bir faktoumlr karşıt metalin yuumlzeye bağlanma
enerjisidir
Elektrokimyasal youmlntemle geccediliş metal NPrsquolerin sentezi ise 1990lı yıllarda Reetz
tarafından geliştirilmiştir Bu suumlreccedil beş aşamada meydana gelir Bunlar kuumllccedile metalin
anotta oksidadif ccediloumlzuumlnmesi katotta metal iyonlarının toplanması katotta sıfır değerlikli
metal atomlarının indirgeciyi oluşumu ccedilekirdek ve metal parccedilacıklarının buumlyuumlmesi
NPrsquolerin buumlyuumlme suumlrecini durdurmak ve kararlılaştırılması ile tamamlanır (Pachoacuten and
Rothenberg 2008) Eğer oluşum enerjisi molekuumlluumln kaybettiği enerjiden yuumlksekse
kuumlccediluumlk parccedilacıkların kaybı buumlyuumlk parccedilacıkların sayısının artmasına sebep olur Bu
durum Ostwald buumlyuumlmesi olarak adlandırılır (Schmid 2010)
Şekil 29 Reaksiyon sıcaklık artışı veya reaksiyon zamanı ayarlanarak sistematik
olarak kontrol edilen Ostwald buumlyuumlmesiyle Fe3O4 NPrsquolerinin sentezi
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
17
222 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Boyut Kontroluuml
Nanoteknoloji de NPrsquolerin kullanımının artmasıyla beraber sadece sentezlenen metal
NPrsquolerinin boyutu değil parccedilacık dağılımları da oumlnem kazanmıştır Boyut kontroluumlnuumln
bu kadar oumlnem kazanmasının sebebi tek duumlze dağılımlı nanoparccedilacıkların homojen
dağılım goumlstermeleri nedeniyle reaksiyonları yuumlksek verimde gerccedilekleştirmeleridir
(Schmit 2010) ve katalitik etkinliklerinin tek bir aktif yuumlzey merkezi uumlzerinde
goumlstermeleridir
223 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerin Kararlılaştırılması
Geccediliş metal NPrsquoleri ccediloumlzelti iccedilinde termodinamik olarak kararsız olduklarından dolayı
bunların kuumlmeleşmesini ve topaklanmasını oumlnlemek amacıyla sterik ve elektrostatik
olarak kararlılaştırıcılar kullanılmalıdır (Schmid 1992) Ayrıca kuumllccedile metal oluşumunu
engellemek amacıyla surfaktant veya uzun zincirli ligant varlığında reaksiyon
gerccedilekleşir (Ferrando et al 2006)
Şekil 210 Kararlılaştırıcılar varlığında metal tuzlarının indirgenmesi ile NP oluşumu
(Pachoacuten and Rothenberg 2008)
223a Sterik kararlılaştırma
Metal NPrsquolerin yuumlzeyini sterik olarak buumlyuumlk hacimli yapılar olan surfaktant veya
polimerler adsorplanarak birbirine yaklaşmakta olan NPrsquolerin bir araya gelmesi
Metal katyonları Metal atomlar Kararlı nanopartikuumlller
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
18
engellenir Bu durum NPrsquolerin sterik olarak kararlaştırılmasıdır Sterik kararlılaştırmada
en yaygın kullanılan polimer poli (N-vinil-2-pirrolidon) PVPrsquodir
Şekil 211 a) Metal nanopartikuumlluumln polimer zincirlerin absorpsiyonu ile sterik etkileşimi
goumlsterimi b) Metal nanopartikuumlllerinin sterik olarak kararlılaştırılmasının şematik goumlsterimi
(Aiken and Finke 1999)
223b Elektrostatik kararlılaştırma
Elektriksel yuumlkluuml anyonlar ve katyonlar tarafından kolloidal metal NPrsquolerin yuumlzeyi
sarılır ve iki metal arasında elektrostatik itmeler başlar Bu durum Coulomb yasası ile
accedilıklanır Aynı yuumlkler birbirlerini iterek NPrsquolerin bir araya gelip kuumlmeleşmesine izin
verilmez (Aiken and Finke 1999 )
223c Elektrostatik denge
Sterik ve elektrostatik iki etkiyi birleştirmenin uumlccediluumlncuuml seccedileneği elektrostatik denge
olarak bilinir (Pachoacuten and Rothenberg 2008) Parccedilacıklar arasındaki van der Waals
kuvvetleri negatif yuumlkluuml kolloidal parccedilacıklar arasındaki Coulomb kuvvetleriyle
dengelenir Yani itme ve ccedilekme kuvvetlerinin dengede olduğu yerde kararlılaştırma
gerccedilekleşir İtme kuvvetleri fazla olursa NPrsquoler birbirinden iyice uzaklaşır Ccedilekme
kuvvetleri fazla olursa kuumllccedile metal oluşumu gerccedilekleşir
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
19
Şekil 212 Metal NPrsquolerin elektrostatik kararlılaştırılması (Pachoacuten and Rothenbeg
2008)
224 Monometalik ve Bimetalik Geccediliş Metal Nanopartikuumllleri
Monometalik geccediliş metal NPrsquoler metal tuzunun indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve
ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle oluşur Reaksiyonda metal tuzu +2 +3
değerlikli bir geccediliş metali olabilir Monometalik geccediliş metal NPrsquolerinin ileri
oumlzelliklerini daha da geliştirmek amacıyla bimetalik geccediliş metal NPrsquolerin sentezi
yapılması fikri ortaya ccedilıkmıştır Bimetalik NPrsquoler literatuumlrde katalizoumlr alanında geniş
bir uygulamaya sahiptirler Ayrıca pahalı soy metallerin miktarlarının azaltılması ile
monometaliklere goumlre daha ekonomik katalizoumlr sentezleri gerccedilekleştirilir (Lanza et al
2014) İkinci bir metalin varlığı ile yuumlzeyin elektronik oumlzellikleri değiştirerek kimyasal
reaktivitesi artırabilir (Xu and Bhattacharyya 2005) Bimetalik geccediliş metal NPrsquoler
alaşım ve ccedilekirdek kabuk yapıları olarak iki başlık altında incelenir
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
20
Şekil 213 A) PtRu alaşım ve B) RuPt ccedilekirdek-kabuk NPrsquoler (Alayoğlu et al 2008)
Şekil 213rsquode bimetalik PtRursquonun alaşım ve ccedilekirdek-kabuk formları goumlsterilmektedir
Burada siyah Ptrsquoyi kırmızı ise Rursquoyu temsil etmektedir Alaşım NPrsquoler metal tuzlarının
indirgeyici reaktif kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında aynı anda indirgenmesiyle
oluşur Ccedilekirdek-kabuk yapıları ise metal tuzlarının yine indirgeyici reaktif
kararlılaştırıcı ve ccediloumlzuumlcuuml varlığında fakat farklı zamanlarda indirgenmesiyle oluşur
(Toshima et al 2008) Bimetalik NPrsquoler son zamanlarda benzersiz elektronik optik
kimyasal ve katalitik oumlzellikleri nedeniyle nanomateryallerin yeni bir sınıfı olarak
oumlnemli oumllccediluumlde dikkat ccedilekmiştir (Cao et al 2014)
Bimetalik NPrsquoler alaşım veya ccedilekirdek-kabuk nanoyapılarda sadece boyut etkisi değil
aynı zamanda farklı metallerin kombinasyonundan kaynaklanan ve geliştirilmiş katalitik
oumlzellikler bilimsel ve teknik accedilılarından dolayı buumlyuumlk ilgi goumlrmektedir (Li et al 2014)
Oluşan bimetalik NPrsquoler birbirlerini sinerjitik etkiyle etkilerler Yuumlzeyde gerccedilekleşen
elektronik etkileşimlerle birbirlerinin olumlu oumlzelliklerini tetikleyerek daha seccedilici ve
aktif yapılar oluştururlar (Ferrando et al 2006) Alaşım veya bir ccedilekirdek-kabuk
yapısına sahip olan nanoboyutlu bimetalik parccedilacıkların oluşturulması optik elektronik
manyetik ve biyolojik cihazlar ve son derece hassas sensoumlrler ccedilalışmasında yoğun ilgi
goumlrmuumlştuumlr (Xu and Bhattacharyya 2005)
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
21
225 Geccediliş Metal Nanopartikuumlllerinin Tanımlanması
Geccediliş metal NPrsquolerin katalizoumlr olarak kullanılması nedeniyle reaksiyonları yuumlruumltme
mekanizmalarını irdeleyebilmek iccedilin boyutları morfolojileri kimyasal ve fiziksel
yapıları ve hakkında bilgi sahibi olmalıyız Bu nedenle ccedileşitli ileri analitik tekniklerden
faydalanılmaktadır Bunlardan en ccedilok kullanılanlar TEM (Geccedilirimli elektron
mikroskobu) HR-TEM (Yuumlksek ccediloumlzuumlnuumlrluumlkluuml TEM) XPS (X-ışınları fotoelektron
spektroskopisi) ve XRD (X-ışınları kırınımı) teknikleridir TEM analizi geccediliş metal
NPrsquolerinin morfolojisi parccedilacık boyutu ve dağılımı hakkında bilgi verir HR-TEM ise
tek bir NPrsquonin yuumlksek enerji altında atomik boyutta analizinin yapılması imkanını verir
Boumlylece NP alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapısında olduğu ve kristal oumlrguuml boşluğu
hesaplanabilir XRD analizi ise NPrsquolerin kristal yapıları hakkında bilgi verir ve Debye-
Scherrer eşitliğinden faydalanılarak kristal parccedilacık boyutu hesaplanabilir Daha da
oumlnemlisi monometalik ve bimetalik NPrsquolerin XRD desenlerinin kıyaslanması yolu ile
alaşım veya ccedilekirdek-kabuk yapıları aydınlatılabilir XPS ise metallerin uyarılmalarıyla
iccedil kabuk elektronlarının bir uumlst eneji seviyesine geccedilmesiyle oksidasyon basamağının
belirlenerek NPrsquolerin elementel analizi ve yapıda bulunan metallerin değerliği hakkında
bilgi verir
Şekil 214 Metal NP karakterizasyonunda sıklıkla kullanılan metotlar
Parccedilacık Boyutu
Gaz Adsorbsiyonu
Seccedilici Zehirleme
Elektron Mikroskopisi
X-ray Kırınımı
Manyetik Oumllccediluumlm
Yuumlzey Alanı Yuumlzey
Bileşimi
Yuumlzey
yapısı
topografi
IR UV ESR
NMR
AES SIMS
UPS XPS
Mossbauer
EPMA
EXAFS
LEED
SEM
TEM
EXAFS
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
22
23 Katalizoumlr
Katalizoumlr terimi Berzelius tarafından 1836 yılında yunancadaki tuumlmuumlyle anlamına
gelen kata ve ccediloumlzmek anlamına gelen lyein soumlzcuumlklerinden tuumlretilmiştir (Mortimer
2004) Bir reaksiyonun aktivasyon enerjisi yuumlksekse normal sıcaklıklarda molekuumller
ccedilarpışmaların sadece kuumlccediluumlk boumlluumlmuuml reaksiyonla sonuccedillanır Katalizoumlr bir reaksiyonu
hızlandıran ancak net kimyasal değişime uğramayan maddedir Katalizoumlrler bir
tepkimenin katalizlenmemiş halde iken izlediği yavaş hız belirleyici basamağının daha
duumlşuumlk aktivasyon enerjili başka bir yolla ilerlemesini sağlayarak tepkime hızını arttıran
maddelerdir (Atkins 1998)
Şekil 215 Bir reaksiyonun katalizoumlrluuml ve katalizoumlrsuumlz olarak gerccedilekleşmesi sonucu
potansiyel enerji değişiminin ve aktivasyon enerjilerinin karşılaştırılması
Yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler kimya sanayi enduumlstrisinde enerji tuumlketimini
azaltmaya yardımcı madde olarak kullanılır ve atık bertarafı uumlruumln ayırma gibi prosesleri
gerccedilekleştirmede kullanılırlar Alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine youmlnelik
yapılan ccedilalışmalarda yuumlksek seccediliciliğe sahip katalizoumlrler ccedilok oumlnemli bir yere sahiptir
Karbonhidrat tuumlrevlerinin sıvı yakıtlara ve değerli kimyasallara seccedilici ccedilevrimi biyokuumltle
ccedilevriminin anahtar basamağıdır Son 10 yılda laboratuvarlarda yapılan yuumlzey bilimi
ccedilalışmalarında birccedilok molekuumller seviye faktoumlruumlnuumln katalitik seccediliciliği etkilediği
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
23
bulunmuştur Bu da nanoteknoloji ve muumlhendislik alanında yuumlksek seccedilicili
katalizoumlrlerin tasarlanmasında etkili olmuştur (Li and Somorjai 2010) Seccedilicilik iyi bir
katalizoumlrde bulunması gereken oumlnemli bir oumlzelliktir Seccediliciliği yuumlksek katalizoumlr
istenilen uumlruumlnuumln yuumlksek verimde elde edilmesini sağlar
Katalitik ccedilevrim ise başlangıccedil aşamasından itibaren kapalı bir dizi ccedilevrim olarak
tanımlanır Bu dizide aktif boumlluumlm suumlrekli kendini yeniliyerek siklik reaksiyonu tekrar
ederek tek bir aktif boumlluumlmden buumlyuumlk ccedilevrim sayılarına ulaşılır (Vannice 2005)
Katalizoumlruumln bir tepkimedeki etkinliği ccedilevrim frekansı TOF (Turnover frequency) ile
tanımlanır Katalitik ccedilevrim frekansı olarak ifade edilen TOF değeri birim zamanda
oluşan uumlruumlnuumln katalitik hızının katalizoumlruumln mol miktarına boumlluumlnmesiyle hesaplanır A
maddesinin B maddesine doumlnuumlşuumlmuumlnde hız ifadesi (V) aşağıdaki denklemde belirtildiği
gibidir Burada Q katalizoumlruumln mol sayısını ifade eder
Katalizoumlruumln katalitik etkinliğini ifade eden diğer bir kavram ise TON (turnover number)
değeridir Katalizoumlruumln reaksiyondaki yaşam oumlmruuml ccedilevrim sayısı olarak tanımlanır TON
değeri katalizoumlruumln mol sayısının uumlruumlnuumln mol sayısına oranı ile bulunur
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
24
Şekil 216rsquoda goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlrler 3 temel başlık altında incelenir Bunlar
homojen katalizoumlr heterojen katalizoumlr ve biyokatalizoumlrlerdir
Şekil 216 Katalizoumlrlerin sınıflandırılmasının şematik goumlsterimi
231 Homojen katalizoumlrler
Homojen katalizoumlr bileşenleri ile reaksiyon karışımındaki substrat tek bir fazda
bulunurlar genellikle sıvı faz iccedilinde bir araya getirilirler (Piet 2004) Homojen
katalizoumlrler ccedilok hızlı reaksiyona girmekte ve katalizoumlr molekuumlluuml başına iyi bir doumlnuumlşuumlm
oranı sağlamaktadır Fakat homojen katalizoumlrler reaksiyon ortamı iccedilinde karışabilir
olduğu iccedilin reaksiyon ortamından geri kazanımı zordur (Hamilton 2003)
232 Heterojen katalizoumlrler
Heterojen katalizoumlrler bulundukları ccediloumlzeltide ortamında farklı faz oluşturdukları iccedilin
ccediloumlzeltiden ayrılmaları kolay ve tekrar kullanımları muumlmkuumlnduumlr (Sheldon and Downing
Ka
tali
zoumlrl
er
Biyokatalizoumlrler
Homojen Katalizoumlrler
Kararlı Organometalik Kompleksler
Organometalik Kompleksler
Heterojen Katalizoumlrler
Kuumllccedile Metaller
Tutturulmuş Metaller
Tutturulmuş Anorganik Metal
Bileşikler
Geccediliş Metal
Nanopartikuumllleri
(lt10 nm)
Yeni hibrit katalizoumlrler
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
25
1999) Heterojen katalizoumlrlerdeki en buumlyuumlk zorluk katalizoumlruumln yuumlzey alanını artırmaktır
Katalizoumlruumln etkinliği de doğrudan yuumlzey alanı ile ilgili olduğu gibi katalizoumlr parccedilacık
boyutunun azaltılması katalitik aktiviteyi artırmak iccedilin umut verici bir yoldur (Oumlzkar
2009)
Geccediliş metal NPrsquoler yuumlksek yuumlzey enerjilerine sahip olmalarından dolayı yuumlzeydeki
atomları ccedilok aktif hale getirirler Bu durum katalizoumlr olarak geccediliş metal NPrsquolerin
kullanılmasında avantaj sağlar (Narayanan and Sayed 2005)
Heterojen katalizoumlrlerin reaksiyon karışımından geri kazanımı tekrar kullanabilirliği
yeşil kimya accedilısından homojen katalizoumlrlere goumlre bir avantaj sağlar (Liu and Shi 2012)
Ccedilizelge 21 Homojen ve heterojen katalizoumlrlerin karşılaştırılması
Etkinlik Homojen
Katalizoumlr Heterojen Katalizoumlr
Aktif merkezler Metal atomları Sadece yuumlzey atomları
Derişim Duumlşuumlk Yuumlksek
Kullanılabilirlik Sınırlı Geniş
Faz Sıvı Katı gaz
Seccedilicilik Yuumlksek Duumlşuumlk
Aktivite Ilımlı Yuumlksek
Sıcaklık Duumlşuumlk lt250degC Yuumlksek (250 ndash 500degC)
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
26
24 Grafen
Grafen Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2004 yılında keşfedilmiştir ve
bu keşifleri nedeni ile 2010 Nobel Fizik oumlduumlluumlne layık goumlruumllmuumlştuumlr Grafenin temel yapı
taşını karbon atomu oluşturur Grafen karbon atomlarının duumlzlemde altıgen yapıda sp2
hibritleşmesi yaparak oluşturduğu iki boyutlu malzemedir (Russo et al 2013) Grafenin
ccedilok youmlnluuml oumlzelliklere sahip olması nedeniyle her geccedilen guumln bu iki boyutlu malzemeye
ilgi ve heycan artmaktadır (Geim and Novoselov 2007)
Grafenin Oumlzellikleri
Tek atom kalınlığındadır
Geniş yuumlzey alanına sahiptir
Guumlccedilluuml substrat metal etkileşimi vardır
Elektiriği ve ısıyı ccedilok iyi iletir
Esnektir
Transparandır (Zhu et al 2010)
Şekil 217 Grafen yapısı
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
27
Periyodik cetvelin en ilginccedil elementlerinden olan karbon farklı formlarda bulunabilir
Bunlar elmas grafit fulleren ve nanotuumlplerdir Fulleren 60 karbon atamunun 20 altıgen
ve 12 beşgen şeklinde dizilerek kuumlresel bir yapı oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle
meydana gelir ve molekuumll formuumlluuml C60lsquodır Grafit de tek tabakalı iki boyutlu malzeme
olan grafenin uumlst uumlste gelmesiyle oluşur Nanotuumlpler ise grafenin kıvrılıp silindir şekline
getirilmesi ile oluşan bir boyutlu (1D) malzemelerdir (Allen et al 2010)
Grafen ilk katman ayırma youmlntemi ile sentezlenmiştir Bu teknikle yuumlksek kaliteli
grafen sentezlenebilir fakat buumlyuumlk oumllccedilekli uygulamalar iccedilin uygun değildir Daha yuumlksek
miktarlarda grafen sentezlemek iccedilin bir ccedilok alternatif youmlntemler geliştirilmiştir Bunlar
epitaksiyel buumlyuumlme kimyasal buhar biriktirme ve kimyasal ayrıştırma youmlntemidir (Li
and Shi 2012) En gelişmiş youmlntemlerden biri olan kimyasal ayrıştırma metodunu
kullanarak yuumlksek miktarlarda grafen sentezi gerccedilekleştirilebilir (Machado and Serp
2012)
Şekil 218 İndirgenmiş grafen oksit sentezi (Bai et al 2011)
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
28
241 Grafenin kullanım alanları
Grafen ve grafen tuumlrevlerinin uumlstuumln fiziksel oumlzellikleri sebebi ile nano ve kuantum
cihazların yapımı iccedilin ideal malzeme olarak kullanılmaktadır Uygulama alanları grafen
sensoumlrleri elektronik devreler enerji depolama ve biyomedikal gibi geniş bir alana
hitap etmektedir (Radic et al 2013)
Grafen benzersiz iccedilyapısı yuumlksek kimyasal kararlılık geniş yuumlzey alanı ve muumlkemmel
elektron taşıma oumlzellikleriyle katalizoumlrler iccedilin ideal destek malzemesi olarak kabul edilir
(Cao et al 2014)
Grafen teorik olarak geniş bir yuumlzey alanına sahiptir (2630m2gr) Bu nedenle geccediliş
metal NPrsquolerinin kataliz uygulamalarında destek malzemesi olarak kullanılması avantaj
sağlayacaktır Ayrıca kimyasal indirgeme youmlntemi ile doğal grafit tabakalarından gram
oumllccedilekte sentezlenebilen grafen katalizoumlr destek malzemesi olarak diğer ticari karbon
destek malzemelerine goumlre daha ekonomiktir (Park et al 2009) Grafenin geccediliş metal
NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi olarak kullanılmasının diğer avantajları ise iki boyutlu
yapıda olması sahip olduğu sp2 karbon atomları ve yapısal kusurlar nedeniyle katalizoumlr-
substrat etkileşimlerini arttırarak geccediliş metal NPrsquolerinin katalitik etkinlikleri
arttırılmasında oumlnemli roluuml vardır Grafenin geccediliş metal NPrsquoleri iccedilin destek malzemesi
olarak kullanılması konusunda son zamanda grubumuz tarafından literatuumlre kazandırılan
ccedilok sayıda ccedilalışma mevcuttur Oumlrneğin ABrsquonin hidrolitik dehidrojenasyonunda tekduumlze
parccedilacık boyutlu Pd NPrsquoleri (Kılıccedil et al 2012) ve NiPd alaşım NPrsquoleri (Ccediliftci and Metin
2014) iccedilin İGO destek malzemesi olarak kullanıldı ve diğer destek malzemlerine goumlre
daha yuumlksek katalitik etkinlik sağladığı rapor edildi Ayrıca grafene desteklenen NiPd
ccedilekirdekkabuk NPrsquoleri Suzuki-Miyaura ccedilapraz kenetlenme tepkimelerinde (Metin et al
2012) ve grafene desteklenen NiPd alaşım NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ve CoPd alaşım
NPrsquoleri (Goumlksu et al 2014) ise tandem ABrsquonin dehidrojenlenmesi ve aromatik
nitronitril bileşiklerinin hidrojenasyonu tepkimelerinde katalizoumlr olarak kullanılmıştır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
29
3 MATERYAL ve YOumlNTEM
31 Kimyasallar
Bakır(II) asetilasetonat (Cu(acac)2 99) paladyum(II) asetilasetonat (Pd(acac)2 99)
morfolin-boran kompleksi (MB 95) oleyilamin (OAm gt70) 1-oktadesen (ODE
90) hekzan (99) etil alkol (99) aseton (99) amonyak boran (AB 90 teknik)
potasyum permanganat (KMnO4 gt99) sodyum nitrat (NaNO3 gt99) fosfor penta
oksit (P2O5) potasyum persuumllfat (K2S2O8) grafit hidrojen peroksit (H2O2 30)
dimetil formamit (DMF gt99) nitrik asit (HNO3) hidroklorik asit (HCI) ve suumllfuumlrik
asit (H2SO4 95-98) Merckrsquoden temin edildi Doğal grafit tabakaları (ortalama
parcaccedilık boyutu 325 mesh) Alfa Aesarrsquodan satın alınarak kullanıldı Deiyonize su
musluk suyundan cihazla saflaştırıldı (Milli-Q System)
32 Cihazlar
CuPd alaşım NPrsquoleri ve İGO-CuPd katalizoumlrlerinin geccedilirimli elektron mikroskobu
(TEM) goumlruumlntuumlleri oumlrneklerin hekzan veya etil alkol iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten sonra bakır
ızgaraya birer damla damlatılarak FEI Tecnai G2 Ruh BioTwin (120 kV) TEM cihazı
kullanılarak elde edildi X-ışını kırılma desenleri (XRD) Rigaku Miniflex XRD
difraktometresi ile CuKα radyasyonu ile (30kV 15mA λ=154051Aring) oda sıcaklığında
10degrsquoden 80degrsquoye 2θ aralığında kaydedildi CuPd alaşım kompozisyonlari ve İGO-CuPd
katalizoumlruumlnuumln metal iccedileriği Leiman serisi induumlktif eşleşmiş plazma kuumltle spektroskopisi
(ICP-MS) kullanılarak her oumlrnek (HNO3HCl 13) kral suyu iccedilerisinde ccediloumlzuumlnduumlkten
sonra belirlendi 11
B-NMR analizleri Bruker Avance DPX 400 MHz spektrometre ile
(4001 MHz iccedilin 1H-NMR 1006 MHz iccedilin
13C-NMR 1282 MHz iccedilin
11B-NMR)
oumllccediluumllduuml
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
30
33 CuPd Alaşım NPrsquolerinin Kompozisyon Kontrolluuml Sentezi
CuPd alaşım NPrsquolerin sentezi doumlrt boyunlu cam reaktoumlr iccedilerisinde inert atmosfer
şartlarında Şekil 31rsquode goumlruumllen cam reaktoumlr sistemi ile gerccedilekleştirildi Cu75Pd25
NPrsquolerinin sentez reccediletesinde doumlrt boyunlu reaktoumlr iccedilerisine oumlncelikle ılıman indirgeyici
olan MBrsquodan 200mg kararlılaştırıcı OAmrsquoden 3ml ve ccediloumlzuumlcuuml ODErsquoden 7ml eklendi
Sıcaklık 80degCrsquoye ayarlandı 10mlrsquolik cam şişe iccedilerisine 90mg Cu(acac)2 31mg
Pd(acac)2 ve 3ml OAm eklenerek ayrı bir cam şişe iccedilerisinde manyetik karıştırıcı
uumlzerinde ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Reaktoumlr sıcaklığı 80degCrsquoye geldiğinde cam
şişe iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan metal tuzları hızlı bir şekilde reaktoumlr iccedilerisine enjekte
edildi Ccediloumlzeltideki +2 değerlikli olan metal iyonları eş-zamanlı olarak 0 değerlikli
metal atomlarına indirgendi İndirgenme esnasında ccediloumlzeltinin rengi koyu kahverengiye
doumlnuumlştuuml Sıcaklık kontrol cihazı 100degCrsquoye ayarlandı ve oluşan NPrsquoler 1 saat boyunca
100degCrsquode karıştırıldı Bir saatlik bekleme suumlresi bitince reaktoumlr ısıtıcı ceket iccedilerisinden
ccedilıkarılarak soğumaya alındı ve iki santrifuumlj tuumlpuumlne eşit oranlarda paylaştırıldı Santrifuumlj
tuumlpleri uumlzerine saf aseton ilave edilerek 8500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı ve ccediloumlken
kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml İkinci santrifuumlj iccedilin uumlzerine etil alkol ilavesi yapılarak tekrar
8500rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Ccediloumlken kısım hekzan ile ccediloumlzuumllduuml ve Cu75Pd25
NPrsquolerin sentezi tamamlandı Ayrıca başlangıccedil metal tuzlarının miktarını değiştirerek
CuPd= 015035mmol oranı ile Cu30Pd70 ve CuPd= 0303mmol oranı ile Cu48Pd52
alaşım NPrsquoleri sentezlendi
Şekil 31 CuPd NPrsquolerinin sentezini gerccedilekleştirdiğimiz cam reaktif sistemi
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
31
34 İndirgenmiş Grafen Oksit Sentezi
İGO sentezi uumlccedil basamaklı bir sentez youmlntemi ile gerccedilekleştirildi Oumlncelikle grafitin oumln
oksidasyonu sağlandı ve modifiye Hummerrsquos youmlntemi ile grafit oksit sentezlendi
Sentezlenen grafit oksit de DMF iccedilerisinde refluks edilerek İGO sentezi tamamlandı
1 Basamak Grafitin oumln oksidasyonu
Şekil 32 Grafitin oumln oksidasyon akış şeması
250ml erlen iccedilerisine 20gr grafit 10gr P2O5 10gr K2S2O8 ve 50ml H2SO4 konuldu 6
saat 80degCrsquode bekletildi 6 saat sonunda macun kıvamında uumlruumln elde edildi Bekleme
suumlresi bittikten sonra oda sıcaklığına soğutularak saf su ilavesi yapıldı Suumlzuumllduumlkten
sonra parlak bir gri renk oluştu Oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı Bu sayede grafitin
oumln oksidasyonu sağlanmış oldu
2 Basamak Grafit oksit sentezi
Birinci basamakta elde edilen oumln oksidasyona uğramış grafiti kullanarak modifiye
Hummerrsquos metodu ile grafit oksit sentezlendi
P2O5 (10gr) H2SO4 (50mL)
80⁰Crsquode 6 saat bekletildi
Suumlzuumllduuml ve oda sıcaklığında kuruması iccedilin bekletildi
K2S2O8 (10gr) +
Grafit (20gr)
Oda sıcaklığına soğutuldu ve saf su ilavesi yapıldı
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
32
Şekil 33 Grafit oksit sentezi akış şeması
Manyetik karıştıcı uumlzerine yerleştirilen 250mlrsquolik erlen iccedilerisine 1gr oumln oksidasyona
uğramış grafit 1gr NaNO3 ve 50ml H2SO4 konularak iyice karıştırıldı Buz banyosunda
0-3degCrsquoye soğutuldu ve uumlzerine yavaşccedila 6gr KMnO4 eklendi Erlen buz banyosu
iccedilerisinde 30dk bekletildikten sonra sıcaklık 35degCrsquoye ccedilıkarıldı ve 3 saat karıştırıldı Bu
NaNO3 (1gr) H2SO4 (50mL)
30dk buz banyosunda bekledi
KMnO4 (6gr)
Suumlzuumllduuml ve saf su ile yıkandı
Etuumlvde kurutuldu
Buz banyosunda koyularak
50ml saf su eklendi
100ml saf su eklendi ve devamında 8 ml
30rsquoluk H2O2 eklendi
Koyu kahverengi olana
kadar karıştırıdı
+ + Oksitli grafit (1gr)
Buz banyosunda 0-3⁰Crsquoye soğutuldu
3 saat 35⁰Crsquode karıştırıldı
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
33
esnada yoğun bir madde elde edildi Erlen buz banyosuna koyularak 50ml saf su damla
damla ilave edildi Yaklaşık 30dk karıştırılarak koyu kahverengi bir madde elde edildi
Erlen iccedilerisine 100ml saf su konuldu daha sonra 8ml 30rsquoluk H2O2 damla damla ilave
edildi Suumlzme işlemi yapıldı ardından saf su ile yıkandı Etuumlvde 80degCrsquode kurutuldu Bu
sayede grafit oksit elde edildi
3 Basamak İndirgenmiş grafen oksit sentezi
Bu aşamada modifeye Hummerrsquos metodu ile elde edilen grafit oksit kullanırak İGO
sentezlendi
Şekil 34 İndirgenmiş grafen oksit sentezi akış diyagramı
Cam balon iccedilerisine 400mg grafit oksit ve 400ml DMF konularak sonikatoumlr yardımı ile
ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Cam balon ısıtıcı ceket iccedilerisine yerleştirildi ve 6 saat
Grafit oksit (400mg) DMF (400ml)
150⁰Crsquode refluks yapıldı
Oda sıcaklığına soğutuldu ve suumlzuumllduuml
Etil alkol ile yıkanarak suumlzuumllduuml
Rotary ile ccedilektirildi
+
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
34
boyunca 150degCrsquode refluks edildi Daha sonra oda sıcaklığına soğutularak suumlzme işlemi
yapıldı DMFrsquoyi uzaklaştırmak iccedilin etil alkol ile yıkama işlemi yapılarak suumlzuumllduuml ve
doumlner buharlaştırıcı ile ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı Bu sayede İGO elde edildi
35 CuPd Alaşım NPrsquolerinin İGOrsquoya Desteklenmesi
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hazırlanması iccedilin ilk olarak hekzan iccedilerisinde bulunan
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln yoğunluk tayini yapıldı Oumlrneğin 50mg hekzan dispersiyonu
iccedilin 100mg İGO tartıldı Cam balon iccedilerisine 100mg İGO ve 20ml etil alkol ilave
edilerek sonikatoumlrde İGOrsquonun ccediloumlzuumlnmesi sağlandı Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra hekzan iccedilerisinde kolloidal halde bulunan Cu75Pd25 NPrsquoleri ilave edildi ve
Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln İGOrsquoya tutunması iccedilin 1 saat sonikatoumlrde bekletildi Bekleme
suumlresi bitince 7500rpmrsquode 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumljde ccediloumlken kısım etil alkol ile
ccediloumlzuumllerek cam balona aktarıldı ve doumlner buharlaştırıcıda ccediloumlzuumlcuuml uzaklaştırıldı
Boumlylelikle İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri hazırlanmış oldu Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ACrsquoye
desteklemek iccedilin de yukarıda tarif edilen proseduumlr kullanıldı Ayrıca Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin hekzan dispersiyonunun bir gece boyunca karıştırma iccedileren farklı bir
proseduumlr ile nano-AI2O3 uumlzerinde desteklendi
İGOrsquoya desteklenen Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin yuumlzeyini temizlemek amacıyla Şekil
35rsquode goumlruumllen tavlama cihazı kullanıldı Tavlama yuumlksek sıcaklıklarda ve gaz akışı
altında gerccedilekleştiği iccedilin kuvars cam boru kullanıldı Kuvars cam boru iccedilerisine daha
oumlnceden hazırlamış olduğumuz porselen krozede İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml yerleştirildi
Tavlama Ar-H2 (5H2) gaz karışımı altında 1 saat 400oC sıcaklıkta gerccedilekleştirildi
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri oda sıcaklığında 1mmol AB ile hidrolizi yapıldı ve
zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
35
Şekil 35 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin 400degCrsquode Ar-H2 (5H2) gaz karışımı akışında
tavlamasının gerccedilekleştirildiği fırın sistemi
36 İGO-CuPd Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Kullanımı
Tavlama işlemi uygulanan İGO-Cu75Pd25 NPrsquolerin hidrolizindeki aktivitesini oumllccedilmek
amacıyla Şekil 36rsquoda temsili şeması goumlsterilen sistem kullanıldı Reaktoumlruumln sıcaklığını
ayarlamak iccedilin soğutmalı sirkuumllatoumlrluuml su banyosu cihazının hortumları reaktoumlruumln su
giriş ve ccedilıkışına takıldı Gaz ccedilıkışını goumlzlemlemek iccedilin sistemde sabitlenen ters
ccedilevrilmiş iccedilerisi su dolu olan gaz buumlretden faydalanıldı
Erlenin iccedilerisine 10mg İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml ve 7ml destile su konularak
sonikatoumlrde 20dk ccediloumlzuumlnme işlemi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnme işlemi tamamlandıktan
sonra İGO-Cu75Pd25 NPrsquoleri reaktoumlr iccedilerisine aktarıldı ve 1000rpm de karıştırıldı Ayrı
bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB tartıldı ve uumlzerine 3ml destile su konuldu
ABrsquonin ccediloumlzuumlnme işlemi hızlıca gerccedilekleşti Manyetik karıştırıcı kapatıldı ve su
iccedilerisinde ccediloumlzuumlnmuumlş olan AB katalizoumlruumln olduğu reaktoumlre hızlı bir şekilde enjekte
edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatıldı Manyetik karıştırıcı tekrar accedilıldı ve kronometre
başlatıldı Gaz ccedilıkışı tamamlanınca sistem kapatıldı Reaktoumlruumln iccedilerisindeki madde
ccediloumlkuumlnce uumlstuumlnde kalan berrak kısmından 01 ml NMR tuumlpuumlne alındı uumlzerine 05ml
CDCl3 ilave edildi ve 11
B-NMR alındı EK 1rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi 11
B-NMR spektrumu
Su Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
Su
Su seviyesi değişimi Ccediloumlzelti-II AB + H
20 (3 ml)
Su girişi
Su ccedilıkışı
Manyetik karıştırıcı
Ccediloumlzelti-I rGO-CuPd + H
20 (7 ml)
(Kuvvetli karıştırma)
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
36
H3NBH3rsquouumln (-23ppmrsquode doumlrtluuml piki) tam doumlnuumlşuumlm sağlayarak 89ppmrsquodeki amonyum
metaborat pikinin olduğunu goumlstermektedir
Şekil 36 Katalitik AB hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının hacmini oumllccedilmeyi
sağlayan sistem
37 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin Hidrolizinden Hidrojen
Salıverme Kinetiği
Tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln AB ile hidrolizindeki kinetik ccedilalışmalarında
hız kanunu ve aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin katalizoumlr konsantrasyonu AB
konsantrasyonu ve farklı sıcaklık denemeleri yapıldı Oumlncelikle 250plusmn05degCrsquode 100mM
AB miktarları sabit tutularak 5mg 75mg 10mg ve 15mg gibi farklı katalizoumlr
miktarlarının hidrolizi yapıldı ve zamana karşı elde edilen hidrojen gazının mol miktarı
grafik edildi Daha sonra 250plusmn05degCrsquode 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
ile farklı AB konsantrasyonları ccedilalışıldı ve zamana karşı ccedilıkan hidrojen gazının mol
miktarı grafik edildi Kinetik ccedilalışmaların sonunda ise 10mg tavlanmış-İGO-Cu75Pd25 ve
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
37
100mM AB ile aktivasyon enerjisini hesaplamak iccedilin 293K ile 313K aralığındaki
sıcaklık denemeleri yapıldı yine ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi
38 Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 Katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin Hidrolizinde Tekrar
Kullanılabilirliği ve Katalitik Oumlmruuml
Tavlanmış olan İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln oda sıcaklığında AB ile hidrolizinin
kararlılığı ve tekrar kullanabilirliği test edildi Kuumlccediluumlk erlen iccedilerisine 20mg katalizoumlr ve
7ml destile su eklenerek sonikatoumlrde ccediloumlzuumlnmesi gerccedilekleştirildi Ccediloumlzuumlnmesi
tamamlandıktan sonra reaktoumlre alındı Ayrı bir cam şişe iccedilerisinde 1mmol 90rsquolık AB
3ml destile su ile ccediloumlzuumllduuml ve reaktoumlre enjekte edildi Reaktoumlruumln kapağı kapatılarak
kronometre başlatıldı Belirli aralıklarla ccedilıkan hidrojen gazı işaretlenerek zamana karşı
ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarı grafik edildi Gaz ccedilıkışı bitince sistem kapatıldı
Reaktoumlruumln iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltılarak 9000rpmrsquode 10dk santrifuumlj
yapıldı Santrifuumlj bitince ccediloumlken kısım suyla ccediloumlzuumllerek tekrar reaktoumlre boşaltıldı Geri
kazanılan katalizoumlrle aynı denemeler uumlccedil kez tekrarlanıldı
Katalizoumlruumln oumlmruuml deneyinde ise oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml ile 1mmol AB ile hidroliz yapıldı 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan sonra sistem
kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar kronometre
başlatıldı Aynı denemeler 15 kez tekrarlandı
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
38
4 ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA
41 CuPd Alaşım Nanopartikuumlllerinin Sentezi ve Tanımlanması
Tek duumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquoleri Pd(acac)2 ve Cu(acac)2rsquoın OAm ve
ODE ccediloumlzeltisi iccedilerisinde MB tarafından 80degClsquode eş zamanlı indirgemesi yoluyla
sentezlendi Reccediletede kullanılan OAm sterik kararlılaştırıcı goumlreviyle NPrsquolerin bir araya
gelip kuumllccedile metal oluşumunu engelledi MB ise ılıman indirgeyici olarak goumlrev yaparak
Cu(II) ve Pd(II)rsquonin sıfır değerlikli metal atomlarına eş-zamanlı indirgenmesini
sağlamaktadır ODE ise ccediloumlzuumlcuuml goumlrevini uumlstlenmektedir Sentezlen Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin yapısal tanımlamaları iccedilin TEM XRD ve ICP-MS gibi karekterizasyon
teknikleri kullanıldı Şekil 41rsquode Cu75Pd25 NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde alınmış
TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden Cu75Pd25 NPrsquolerinin
homojen parccedilacık dağılımına sahip oldukları ve ortalama parccedilacık boyutunun 30nm
olduğu belirlendi
Şekil 41 Hekzan iccedilerisindeki Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerine ait farklı buumlyuumltmelerde
alınmış TEM goumlruumlntuumlleri
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
39
CuPd alaşım NPrsquoleri iccedilin oluşturulan reccedilete ile sadece başlangıccedil metal tuzlarının
derişiminin değiştirilmesi ile Cu75Pd25 NPrsquolerinin yanı sıra diğer iki farklı alaşım
kompozisyonları (Cu30Pd70 ve Cu48Pd52) sentezlendi Şekil 42rsquode Cu30Pd70 ve Cu48Pd52
alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM goumlruumlntuumllerinden
NPrsquolerin ortalama parccedilacık boyutlarının Cu30Pd70 iccedilin 27plusmn05nm ve Cu48Pd52 iccedilin
29plusmn04nm olduğu belirlendi CuPd NPrsquolerin parccedilacık boyut dağılımının standart
sapması yaklaşık 15 olarak hesaplandı Bu değer NPrsquolerin homojen bir parccedilacık
boyutu dağılımına sahip olduklarını işaret etmektedir Diğer taraftan CuPd alaşım
NPrsquolerin parccedilacık boyutlarının alaşım kompozisyonunun artan Pd miktarı ile kuumlccediluumllduumlğuuml
goumlruumllmektedir
Şekil 42 Kolloidal (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 43rsquode etil alkol ccediloumlzeltisinden alınan İGOrsquoya desteklenen farklı kompozisyondaki
CuPd alaşım NPrsquolerine ait TEM goumlruumlntuumlleri verilmektedir Verilen TEM
goumlruumlntuumllerinden CuPd alaşım NPrsquolerinin tuumlm kompozisyonlarının İGO uumlzerinde
homojen bir şekilde dağıldığı herhangi bir kuumlmeleşme olmadığı ve NPrsquolerin ilk
parccedilacık boyutunu korudukları goumlruumllmektedir İGO-CuPd katalizoumlrlerinin iccedilerdiği
metalik yuumlzdesi yapılan ICP-MS analizleri sonucu kuumltlece yaklaşık 13 olarak
bulundu Bulunan metal yuumlzdesi yapılan tuumlm kataliz tepkimelerinde katalizoumlr miktarının
belirlenmesinde kullanıldı
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
40
Şekil 43 İGOrsquoya desteklenmiş (A) Cu30Pd70 (B) Cu48Pd52 ve (C) Cu75Pd25 NPrsquolerin
TEM goumlruumlntuumlleri
Şekil 44rsquode kolloidal Pd ve farklı kompozisyonlardaki kolloidal CuPd alaşım NPrsquolerin
XRD desenleri goumlsterilmektedir Pd ve buumltuumln CuPd NPrsquolerinin yuumlzey merkezli kuumlbik
kristal oumlrguumlsuumlnde olduğu ve (111) kırınım yuumlzeyinin belirgin olduğu belirlendi CuPd
alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde goumlzlemlenen genişleme NPrsquolerin polikristal yapıda
olduklarını ve daha kuumlccediluumlk kristal boyuta sahip olduklarını işaret etmektedir
Monometalik Pd NPrsquolerinin (111) duumlzlemine ait pik 2θ= 395degrsquode goumlzlenirken CuPd
alaşım NPrsquolerinin farklı kompozisyonlarına ait (111) duumlzleminde Pdrsquoye kıyasla net bir
kayma olduğu goumlruumllmektedir Ayrıca CuPd alaşım NPrsquolerinin (111) duumlzleminde Cu
iccedileriği arttıkccedila piklerdeki kaymanın şiddeti artmaktadır XRD desenlerinde goumlzlenen bu
durum Cu ile Pd arasında alaşım yapısını kanıtlamaktadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
41
Şekil 44 Kolloidal (a) Pd NP (b) Cu30Pd70 NP (c) Cu48Pd52 NP (d) Cu75Pd25 NPrsquolerine
ait XRD desenleri
Kolloidal CuPd ve İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin detaylı yapısal karekterizasyonları
yapıldıktan sonra farklı kompozisyonlarda İGOrsquoya desteklenen Cu30Pd70 Cu48Pd52
Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin ABrsquonin hidrolizinde katalitik etkinlikleri incelendi İGOrsquoya
desteklenmiş farklı kompozisyonlardaki CuPd alaşım NPrsquolerinin oda sıcaklığında
1mmol AB ile hidrolizi ccedilalışıldı CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları
ABrsquonin hidrolizinden hidrojen salıverilmesinde etkinlik goumlsterirken aralarında en
yuumlksek etkinliği 139dk-1
ccedilevrim sayısı (TOF) ile İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
goumlsterdiği belirlendi Yapılan bu ccedilalışma sonucu elde edilen diğer bir tespit ise CuPd
alaşım NPrsquolerinin artan Cu iccedileriği ile ABrsquonin hidrolizindeki etkinliklerinin artmasıdır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
42
Şekil 45 Farklı kompozisyonlarda hazırlana n İGO-CuPd alaşım NPrsquolerinin AB ile
hidrolizinde zamana karşı ccedilıkan H2(g)rsquonin mol miktarı ve iccedilteki grafik ise başlangıccedil TOF
değerlerine karşı CuPd alaşım NPrsquolerin Cu iccedileriğini goumlsterir
ABrsquonin hidrolizinde en iyi CuPd kompozisyon olarak Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin
olduğu belirlendikten sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
katalitik etkinliğini artırmak amacıyla ilk olarak farklı destek malzemelerinin katalitik
etkinlik uumlzerindeki etkisi incelendi Bu amaccedilla Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri İGO dışında AC
ve nano-Al2O3 tozları uumlzerine desteklenerek oda sıcaklığında 1mmol ABrsquonin
hidrolizinde katalitik etkinlikleri kıyaslandı Bu etkinlik tepkime suumlresince ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafik edilmesiyle incelendi (Şekil 46)
Elde edilen sonuccedillardan test edilen destek malzemeleri arasında en yuumlksek katalitik
etkinliği İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln sağladığı belirlendi
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
43
Şekil 46 İGO AC ve nano-Al2O3 gibi materyallere desteklenmiş Cu75Pd25 alaşım
NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
ABrsquonin hidrolizinde en iyi etkinlik goumlsteren İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri 400degC
sıcaklıkta Ar-H(5H2) gazı altında 1 saat tavlama yapılarak katalizoumlruumln ilk sentez
haliyle katalitik etkinliği karşılaştırıldı Şekil 47rsquode goumlruumllduumlğuuml gibi tavlamayla
katalizoumlruumln katalitik aktivitesinin belirgin bir şekilde arttığı goumlruumllmektedir
Tavlanmadan oumlnceki başlangıccedil TOF değeri 13dk-1
iken tavlandıktan sonra bu değer
299dk-1rsquo
e yuumlkseldi Tavlama işlemi sonrası İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
etkinliğindeki bu artışın nedeni olarak indirgeyici atmosfer altında yuumlksek sıcaklıkta
gerccedilekleştirilen tavlama işlemi ile NPrsquolerin yuumlzeyinde surfaktant olarak bulunan
OAmrsquolerin parccedilalanarak uzaklaştırılması ve olası oluşmuş olan metal oksitlerin
indirgenmesi verilebilir Literatuumlrde daha oumlnceden yayınlanmış olan İGO-Culsquonun TOF
değeri 361dk-1
(Yang et al 2014) ve aktif bir soy metal olan İGO-Pdrsquonin TOF değeri
266dk-1
olarak rapor edilmiştir (Kılıccedil et al 2012) Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım
NPrsquoleri iccedilerdiği yuumlksek Cu miktarına rağmen sağladığı 299dk-1
TOF değeri ile
monometalik Pdrsquoden bile daha yuumlksek etkinlik goumlstermiştir
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
44
Şekil 47 İGO-Cu75Pd25 NP kompozitlerinin ve bu kompozitlerin Ar-H2 gaz karışımı altında
400degC sıcaklıkta 1 saat tavlama sonucu elde edilen yapının ABrsquonin hidrolizi uumlzerine etkisi
Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml Şekil 48rsquode
verilmiştir TEM goumlruumlntuumlsuumlnden tavlama işleminden sonra parccedilacık boyutunun az da
olsa buumlyuumlduumlğuuml goumlruumllmektedir Boyuttaki goumlzlenen bu artışın sebebi ise var olan CuPd
alaşım NPrsquolerinin sıcaklık ile destek malzemesi uumlzerinde bir araya gelerek (Ostwald
buumlyuumlmesi) daha buumlyuumlk parccedilacıklar oluşturması olarak accedilıklanabilir (Metin and Oumlzkar
2010 Metin et al 2010) Yani tavlama esnasında yuumlksek sıcaklıklara ccedilıkıldığı iccedilin var
olan kuumlccediluumlk NPrsquoler sıcaklıkla uyarılarak yakın mesafesindeki NPrsquolere yaklaşıp parccedilacık
boyutunun buumlyuumlmesine sebep olmuştur Parccedilacık boyutunda artış olmasına rağmen
kompozisyonda bir değişiklik olmadığı ICP-MS analizi ile belirlendi
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
45
Şekil 48 Tavlama işleminden sonra İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln TEM goumlruumlntuumlsuuml
42 İGO-CuPd Katalizoumlrluumlğuumlnde AB Hidrolizinin Kinetik Ccedilalışmaları
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 alaşım NPrsquolerinin ABrsquonin hidrolizinde kinetik ccedilalışmaları
katalizoumlr derişimine AB derişimine ve sıcaklığa bağlı olarak ccedilalışıldı Şekil 49rsquoda
farklı İGO-Cu75Pd25 miktarlarında (5 75 10 ve 15mg) 100 mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı grafiği verilmektedir Grafiklerden katalizoumlr miktarının arttıkccedila hidrojen
salıverilme hızının arttığı goumlruumllmektedir Şekil 49rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan katalizoumlr derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [İGO-
Cu3Pd])rsquoye karşı grafik edildi ve Şekil 49rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 49rsquoun iccedil
grafiğinde goumlruumllduumlğuuml gibi katalizoumlruumln derişimi artıkccedila hız da doğrusal olarak
artmaktadır ve elde edilen bu doğrunun eğimi 095 olarak hesaplandı Elde edilen bu
eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında
katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden ilerlediğini goumlstermektedir
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
46
Şekil 49 Farklı İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri derişimlerinde 100mM ABrsquonin 25plusmn05degCrsquode
gerccedilekleştirilen hidrolizi sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı
grafiği İccedil şekil ln[Hız]rsquoa karşı ln[Cu3Pd] grafiğini goumlstermektedir
Kinetik ccedilalışmaların ikinci kısmında oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25
katalizoumlruuml varlığında farklı AB derişimlerinde gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimeleri
ccedilalışıldı ve bu deneyler sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana
karşı değişimi incelendi (Şekil 410) Şekil 410rsquoda herbir katalizoumlr derişimi iccedilin elde
edilen eğrilerden tepkime hızı hesaplandı Hesaplanan tepkime hızlarının logaritmik
değeri (ln [hız]) kullanılan AB derişimlerinin logaritmik değerlerine (ln [AB])rsquoye karşı
grafiği Şekil 410rsquoun iccedilinde verilmiştir Şekil 410rsquoun iccedil kısmında verilen grafikte
goumlruumllduumlğuuml gibi AB derişimi artıkccedila hızda ccedilok belirgin bir artış olmamaktadır ve elde
edilen doğrunun eğimi 03 olarak hesaplandı Bu eğim değeri ABrsquonin hidrolizinin
tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri varlığında AB derişimine goumlre sıfırıncı dereceden
ilerlediğini goumlstermektedir Bu durum hızın AB derişiminden bağımsız olduğu anlamına
gelmektedir
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
47
Şekil 410 Oda sıcaklığında İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı AB derişimlerinde
gerccedilekleştirilen hidroliz tepkimleri sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zaman
karşı grafiği İccedil şekil ln [Hız]rsquoa karşı ln[AB] grafiğini goumlstermektedir
Sonuccedil olarak tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinden hidrojen
salıverilmesinin hız denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir
Hız= kgoumlzlenen[İGO-Cu3Pd]
Kinetik ccedilalışmaların son boumlluumlmuumlnde ise tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrlerinin
ABrsquonin hidrolizinde 100mM AB ve 10mg katalizoumlr sabit miktarlarında farklı sıcaklık
(293-313K) denemeleri yapıldı Şekil 411rsquode her bir sıcaklık değeri iccedilin accedilığa ccedilıkan
hidrojen gazının mol miktarı zamana karşı değişimi grafik edildi ve beklendiği gibi
sıcaklık arttıkccedila tepkime hızının arttığı goumlruumllduuml Şekil 411rsquodeki herbir sıcaklığa ait
eğriden tepkime hızı hesaplandı ve bu değerler daha oumlnce elde edilen tepkime hız
denkleminde yerine koyularak herbir sıcaklık iccedilin goumlzlenen hız sabiti (kgoumlzlenen) değerleri
hesaplandı Elde edilen kgoumlzlenen değerleri 1Trsquoye karşı grafik edilerek Şekil 411rsquode
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
48
iccedilinde verilen Arrhenius eğrisi elde edildi Elde edilen arrhenius eğrisinin eğiminden
tepkimenin goumlzlenen aktivasyon enerjisi (Eagoumlzlenen
) = 45plusmn3 kJmol-1
olarak hesaplandı
Şekil 411 Farklı sıcaklıklarda tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde 100mM ABrsquonin
hidrolizini sonucu accedilığa ccedilıkan hidrojen gazının mol miktarının zamana karşı grafiği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde geri kazanımı ve tekrar
kullanılabilirliği test edildi Bu amaccedilla oda sıcaklığında 1mmol AB ile 20mg tavlanmış
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln hidrolizi yapıldı Katalitik hidroliz tepkimesi sonuccedil accedilığa
ccedilıkan hidrojen gazının bitiminde yani stikiyometrik olarak 3mmol H2(g) ccedilıktıktan sonra
reaktoumlr iccedilerisindeki karışımı santrifuumlj tuumlpuumlne boşaltıp uumlzerine bir miktar saf su
ekledikten sonra 9000rpm de 10dk santrifuumlj yapıldı Santrifuumlj sonrasında uumlstte kalan
sıvıyı doumlkuumlp dipte ccediloumlken katalizoumlruuml saf su ile ccediloumlzerek reaktoumlre boşaltıldı Tekrar
hidrolizi yapıldı Belirtilen bu denemeler toplamda uumlccedil kez yapıldı Grafiktede goumlruumllduumlğuuml
gibi uumlccedil defa uumlst uumlste kullanımda İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln etkinliğinde ccedilok az bir
azalmaya neden olduğu belirlenmiştir
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
49
Şekil 412 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanabilirliği
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml de incelendi Bu
amaccedilla oda sıcaklığında 10mg tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrleri ve 1mmol AB ile
hidroliz tepkimesi başlatıldı Bu tepkime sonucu 3mmol hidrojen gazı ccedilıktıktan yani
tepkime sona erdikten sonra sistem kapatıldı Reaktoumlr iccedilerisine İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruuml
reaktoumlr iccedilerisinden uzaklaştırılmadan 1mmol AB katı halde ilave edildi Tekrar hidrojen
gazı oumllccediluumlmuuml yapıldı Bu işlem 5 saat boyunca yeniden 1mmol AB eklenmesiyle
tekrarlandı 5 saatlik suumlre zarfında katalizoumlruumlmuumlzuumln katalitik etkinliğinde goumlzle goumlruumlluumlr
sevide bir duumlşuumlş goumlzlemlenmedi ve bu katalik oumlmuumlr testinin guumlnlerce suumlreceği
oumlngoumlruumllerek denemeler sonlandırıldı Laboratuvar şartlarımızda guumlnlerce devam eden
bir katalitik oumlmuumlr testi iccedilin uygun otomatik hidrojen gazı oumllccedilme sistemi olmadığı iccedilin
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln katalitik oumlmuumlr testi gerccedilekleştirilen 5 saatlik suumlre zarfında
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
50
belirlendi ve Şekil 413rsquode zamana karşı toplam ccedilevrim sayısına (TTON) karşı grafik
edildi
Şekil 413 İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde katalitik oumlmruuml iccedilin zamana
karşı toplam ccedilevrim sayısı grafiği
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
51
5 SONUCcedilLAR
Bu tez ccedilalışmasında aşağıdaki sonuccedillar elde edilmiştir
Tekduumlze parccedilacık boyutlu CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezi iccedilin uygun bir reccedilete
geliştirildi
Geliştirilen reccediletede sadece başlangıccedil metal tuzlarının derişiminin ayarlanması ile
CuPd alaşım NPrsquolerinin uumlccedil farklı kompozisyonu (Cu30Pd70 Cu48Pd52 Cu75Pd25)
başarıyla sentezlendi
Sentezlenen CuPd alaşım NPrsquolerinin katalizoumlr olarak kullanılması iccedilin uumlzerine
destekleneceği İGO başarıyla sentezlendi
CuPd alaşım NPrsquolerinin sentezlenen tuumlm kompoziyonları İGOrsquoya basit sıvı faz
emdirme metodu ile desteklendi
İGOrsquoya destekli CuPd alaşım NPrsquolerinin buumltuumln kompozisyonları ABrsquonin
hidrolizinde etkinlik goumlsteririken en yuumlksek katalitik etkinliği Cu75Pd25 alaşım NPrsquoleri
goumlsterdi
Cu75Pd25 NPrsquoleri iccedilin test edilen farklı destek malzemeleri arasından en yuumlksek
katalitik etkinliği İGO goumlsterdi
Doğrudan sentezlenen İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizindeki
başlangıccedil katalitik etkinliği 400⁰Crsquode Ar-H2 (5H2) gaz akışında tavlama sonucu
13dk1rsquoden 299dk
-1 TOF değerine arttırıldı
Tavlanmış İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde sağladığı TOF değeri
(299dk-1
) İGO-Cu (361dk-1
) ve İGO-Pd (266dk-1
) katalizoumlrlerinden daha yuumlksektir Bu
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
52
durum Cu ile Pd metalleri arasında alaşım NPrsquolerinin oluşması sonucu ortaya ccedilıkan
sinerjitik etkiden kaynaklanmaktadır
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde ABrsquonin hidrolizinde gerccedilekleştirilen kinetik
ccedilalışmalar sonucunda tepkimenin katalizoumlr derişimine goumlre birinci dereceden AB
derişimine goumlre sıfırıncı dereceden ilerlediği bulundu
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlrluumlğuumlnde farklı sıcaklıklarda gerccedilekleştirilen ABrsquonin
hidrolizi sonucu tepkimenin goumlruumlnen aktivasyon enerjisi Eagoumlruumlnen
=45plusmn3 kjmol-1
olarak
hesaplandı
İGO-Cu75Pd25 katalizoumlruumlnuumln ABrsquonin hidrolizinde tekrar kullanılabilir ve uzun
oumlmuumlrluuml olduğu deneysel ccedilalışmalarla belirlendi
Ccedilizelge 42 Literatuumlrde AB hidrolizinde kullanılan bazı geccediliş metal nanopartikuumllleri ve
elde edilen TOF değerleri
Katalizoumlr TOF (dk-1
) Kaynaklar
rGO-Cu 361 (Yang et al 2014)
rGO-Cu02
Co08 836 (Du et al 2013)
MCM-41Cu02
Ni08 107 (Lu et al 2014)
CuFeCo core-shell NPs 105 (Qiu et al 2014)
Graphene-RuCu 135 (Cao et al 2014)
PdPt Nanocubes 501 (Amali et al 2013)
Graphene-Ru 100 (Cao et al 2013)
rGO-Pd 263 (Kılıccedil et al 2012)
SiO2-Pd(0) 10 (Akbayrak et al 2012)
Graphene-Co 139 ( Yang et al 2014)
rGO-Cu3Pd 299 Bu ccedilalışma
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
53
KAYNAKLAR
Acar C and Dincer I 2014 Comparative assessment of hydrogen production methods
from renewable and non-renewable Sources Int J Hydrogen Energy 39 1-12
Adams BD and Chen A 2011 The role of palladium in a hydrogen economy
Materials Today 14 282-289
Aiken III JD and Finke RG 1999 A review of modern transition-metal nanoclusters
their synthesis characterization and applications in catalysis J Mol Catal A
Chem145 1-44
Aiken III JD Lin Y and Finke RG 1996 A perspective on nanocluster catalysis
Polyoxoanion and (n-C4H9N+ stabilized Ir(O) (similar to 300) nanocluster
soluble heterogeneous catalysts Journal of Molecular Catalysis A-Chemical
114 29-51
Akbayrak S Kaya M Muumlrvet Volkan M and Oumlzkar S 2012 Palladium(0)
nanoparticles supported on silica-coated cobalt ferriteA highly active
magnetically isolable and reusable catalyst forhydrolytic dehydrogenation of
ammonia borane Applied Catalysis B Environmental 147 387-393
Alayoğlu S Nılekar AU Mavrikakis M and Eichhoumlrn B 2008 RundashPt corendashshell
nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen nature
materials 7 333-338
Allen MJ Tung VC and Kaner RB 2010 Honeycomb Carbon A Review of
Graphene Chem Rev 110 132-145
Amali AJ Aranishi K Uchida T and Xu Q 2013 PdPt Nanocubes A High-
Performance Catalyst for Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane
Part Part Syst Charact 30 888ndash892
Atkins PW 1998 Pyhsical Chemistry Oxford University Press Tokyo sayfa sayısıs
1014
Bai H Li C and Shi G 2011 Functional Composite Materials Based on Chemically
Converted Graphene Adv Mater 23 1089-1115
Basu S Zheng Y and Gore JP 2011 An experimental study of neat and ionic
liquid-aided ammonia borane thermolysis Journal of Power Sources 196 734-
740
Besancon BM Hasanov V Imbault-Lastapis R Benesch R Barrio M and
Moslashlnvik MJ 2009 Hydrogen quality from decarbonized fossil fuels to fuel
cells Int J Hydrogen Energy 34 2350-2360
Boumlnnemann H and Nagabhushana KS 2008 Metal Nanoclusters Synthesis and
Strategies for their Size Control Elsevier 21-42
Cao N Hu K Luo W and Cheng G 2014 RuCu nanoparticles supported on
graphene A highly efficient catalyst for hydrolysis of ammonia borane Journal
of Alloys and Compounds 590 241-246
Cao N Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of graphene supported Ru
nanoparticles as efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia
borane Int J Hydrogen Energy 38 11964-11972
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
54
Cipriani G Dio VD Genduso F Cascia DL Liga R Miceli R and Galluzzo
G 2014 Perspective on hydrogen energy carrier and its automotive
applications Int J Hydrogen Energy 39 8482-8494
Ccediliftci NS Metin Ouml 2014 Reduced Graphene Oxide Supported Monodisperse NiPd
Alloy Nanoparticles as Highly Active and Noble-Metal Economical Catalysts
for the Hydrolytic Dehydrogenation of Ammonia Borane Int J Hydrogen
Energy 39 18863-18870
Dincer I 2002 Technical environmental and exergetic aspects of hydrogen energy
systems Int J Hydrogen Energy 27 265-285
Du Y Cao N Yang L Luo W and Cheng G 2013 One-step synthesis of
magnetically recyclable Rgo supported CuCo corendashshell nanoparticles highly
efficient catalysts for hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane and
methylamine borane New J Chem 37 3035-3042
Ferrando R Jellinek J and Johnston RL 2006 Nanoalloys From Theory to
Applications of Alloy Clusters and Nanoparticles Chemical Reviews 108 (3)
849-904
Geim A K Novoselov K S 2007 The rise of graphene Nat Mater 6 183
Goumlksu H Ho SF Met n Ouml Korkmaz K Garc a AM Guumlltek n MS and Sun S
2014 Tandem Dehydrogenation of Ammonia Borane and Hydrogenation of
NitroNitrile Compounds Catalyzed by Graphene-Supported NiPd Alloy
Nanoparticles American Chemical Society 4 1777minus1782
Hamilton CDJ 2003 Homogeneous catalysis-New approaches to catalyst separation
recovery and recycling Science 299 1702ndash1706
Hwang HT and Varma A 2014 Hydrogen storage for fuel cell vehicles Current
Opinion in Chemical Engineering 5 42ndash48
Joshi AS Dincer I and Reddy BV 2010 Exergetic assessment of solar hydrogen
production methods Int J Hydrogen Energy 35 490-4908
Kılıc B Şencanlı S Metin Ouml 2012 Hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane
catalyzed by reduced graphene oxide supported monodisperse palladium
nanoparticles High activity anddetailed reaction kineticsJournal of Molecular
Catalysis A Chemical 361-362 104-110
Klabunde KJ Stark J Koper O Mohs C Park DG Decker S Jiang Y Lagadic I
and ZhangDJ 1996 Nanocrystals as stochiometric reagents with unique
surface chemistry J Phys Chem 100 12142-12153
Kothari R Buddhi D and Sawhney RL 2008 Comparison of environmental and
economic aspects of various hydrogen production methods Renewable and
Sustainable Energy Reviews 12 553-563
Laird J 2014 httpwwwtechradarcomnewscar-techthe-future-is-here-toyota-s-
hydrogen-powered-cars-are-go-for-2015-1212830 (29122014)
Lanza R Bersani M Conte L Martucci A Canu P Guglielmi M Mattei G
Bello V Centazzo M and Rosei R 2014 Effect of Crystalline Phase and
Composition on the Catalytic Properties of PdSn Bimetallic Nanoparticles in the
PROX Reaction J Phys Chem 118 25392-25402
Li C and Shi G 2012 Three-dimensional graphene architectures Nanoscale 4 5549
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
55
Li T Zhou H Huang J Yin J Chen Z Liu D Zhang N And Kuang Y 2014
Facile preparation of PdndashAu bimetallic nanoparticles via in-situ self-assembly in
reverse microemulsion and their electrocatalytic properties Colloids and
Surfaces A Physicochem Eng Aspects 463 55ndash62
Li Y and Somorjai GA 2010 Nanoscale Advances in Catalysis and Energy
Applications Nano Lett 10 2289-2295
Lu ZH Li J Feng G Yao Q Zhang F Zhou R Tao D Chen X and Yu Z
2014 Synergistic catalysis of MCM-41 immobilized Cu-Ni nanoparticles in
hydrolytic dehydrogeneration of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39
13389-13395
Ma S and Zhou HC 2010 Gas storage in porous metalndashorganic frameworks for
clean energy applications Chem Commun 46 44-53
Machado BF and Serp P 2012 Graphene-based materials for catalysis Catal Sci
Technol 2 54-75
Metin Ouml and Oumlzkar S 2011 Water soluble nickel(0) and cobalt(0) nanoclusters
stabilized by poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid) Highly active durable
and cost effective catalysts in hydrogen generation from the hydrolysis of
ammonia borane Int J Hydrogen Energy 36 1424-1432
Metin Ouml Duman S Dinccedil M and Oumlzkar S 2011 Oleylamine-Stabilized
Palladium(0) Nanoclusters As Highly Active Heterogeneous Catalyst for the
Dehydrogenation of Ammonia Borane J Phys Chem 115 10736ndash10743
Metin Ouml Ho SF Alp C Can H Mankin MN Guumlltekin MS Chi M and Sun
S 2012 NiPd coreshell nanoparticles supported on graphene as a highly active
and reusable catalyst for SuzukindashMiyaura cross-coupling reaction Nano
Research wwwspringercomjournal12274
Metin Ouml Mazumder V Oumlzkar SSun S 2010 Monodisperse nickel nanoparticles
and their catalysis in hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane J Am
Chem Soc 132 1468-1469
Metin Ouml Oumlzkar S and Sun S 2010 Monodisperse Nickel Nanoparticles Supported
on SiO2 as an Effective Catalyst for the Hydrolysis of AmmoniandashBorane Nano
Res 3(9) 676ndash684
Midilli A Ay M Dincer I and Rosen MA 2005 On hydrogen and hydrogen
energy strategies I current status and needs Renewable and Sustainable Energy
Reviews 9 255-271
Momirlan M and Veziroğlu TN 2005 The properties of hydrogen as fuel
tomorrowin sustainable energy system for a cleaner planet Int J Hydrogen
Energy 30 795-802
Mortimer RG 2004 Fizikokimya (II) palme yayıncılık 806
Narayanan R and El-Sayed MA 2005 Catalysis with Transition Metal Nanoparticles
in Colloidal Solution Nanoparticle ShapeDependence and Stability J Phys
Chem 109 12663-12676
Niemann MU Srinivasan SS Phani AR Kumar A Goswami DY and
Stefanakos EK 2008 Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications A
Review Journal of Nanomater 2008 9
Oriňaacutekovaacute R and Oriňak A 2011 Recent applications of carbon nanotubes in
hydrogen production and storage Fuel 90 3123-3140
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
56
Oumlzkar S 2009 Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in
heterogeneous Catalysis Applied Surface Science 256 1272-1277
Pachoacuten LD and Rothenberg G 2008 Transition-metal nanoparticles
synthesisstability and the leaching issue Appl Organometal Chem 22 288-
299
Park J Ahn Y and Ruiz-Vargas C 2009 Imaging of photocurrent generation and
collection in single-layer graphene Nano Lett 9 (5) 1742-1746
Piet WNM and Leeuwen V 2004 Homogeneous Catalysis 18 p Netherlands
Pudukudy M Yaakob Z Mohammad M Narayanan B and Sopian K 2014
Renewable hydrogen economy in Asia-Opportunities andchallengesAn
overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 30 743-757
Qiu F Dai Y Li L Xu C Huang YChen C Wang Y Jiao L and Yuan H
2014 Synthesis of CuFeCo coreeshell nanoparticles for the catalytic
hydrolysis of ammonia borane Int J Hydrogen Energy 39 436-441
Radic S Geitner NK Podila R Kӓkinen A Chen P Ke PC and Ding F
2013 Competitive Binding of Natural Amphiphiles with Graphene Derivatives
Scıentıfıc Reports 3 2273
Reddy RG 2006 Fuel Cell and Hydrogen Economy Journal of Materials Engineering
and Performance 15 474-483
Roucoux A Schulz J and Patin H 2002Reduced transition metal colloids A novel
family of reusable catalysts Chem Rev 102 3757-3778
Russo P Hu A and Compagnini G 2013 Synthesis Properties and Potential
Applications of Porous Graphene A Review Nano-Micro Lett 5(4) 260-273
Schmid G 1992 Large clusters and colloids Metals in the embryonic state Chem
Rev 92 1709
Schmid G 1994 Clusters and colloids From theory to applications VCH publishers
547 p New York USA
Schmid G 2010 Nanoparticles VCH publishers 532 p New York USA
Schmid G 2010 Syntheses and Characterizations Nanoparticles Wiley-VCH
Publishers Weinheim
Sheldon RA and Downing RS 1999 Heterogeneous catalytic transformations for
environmentally friendly production Appl Catal A 189 163-183
Staubitz A Robertson APM Manners I 2010 Ammonia-borane and related
compounds as dihydrogen sources Chem Rev 110 4079-4124
Stephens FH Pons V and Baker RT 2007 Ammonia borane the hydrogen source
par excellence Dalton Trans 25 2613-2626
Stetson N 2013 US Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program
Annual Progress Report Hydrogen Storage Program Overview
httpwwwhydrogenenergygovpdfsprogress13iv_0_stetson_2013pdf
(28122014)
Sun D Mazumder V Metin Ouml and Sun S 2011 Catalytic Hydrolysis of Ammonia
Borane via Cobalt Palladium Nanoparticles American Chemical Society 5 (8)
6458-6464
Toshima N Yan H and Shiraishi Y 2008 Recent Progress in Bimetallic
Nanoparticles Their Preparation Structures and Functions Elsevier 49-72
Vannice MA 2005 Kinetics of Catalytic Reactions Springer Science 234p Printed
in the United States of America
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
57
Xu J and Bhattacharyya D 2005 Membrane-based Bimetallic Nanoparticles for
Environmental Remediation Synthesis and Reactive Properties Environmental
Progress 24(4) 358-366
Yang L Cao N Du C Dai H Hu K Luo W and Cheng G 2014 Graphene
supported cobalt(0) nanoparticles for hydrolysis of ammonia borane Materials
Letters 115 113-116
Yang Y Lu ZH Hu Y Zhang Z Shi W Chen X Wang T 2014 Facile in
situ synthesis of copper Nanoparticles supported on reduced graphene oxide for
hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane RSC Adv 4 13749
Zahmakiran M Oumlzkar S2013 Transition Metal Nanoparticles in Catalysis for the
Hydrogen Generation from the Hydrolysis of Ammonia-Borane Top Catal 56
1171-1183
Zhu BY Murali S Cai W Li X Suk JW Potts JR and Ruoff RS 2010
Graphene and Graphene Oxide Synthesis Properties and Applications Adv
Mater 22 3906-3924
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır
OumlZGECcedilMİŞ
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ 1991 yılında Erzurumda doğdu Eğitim hayatını doğduğu
şehirde tamamladı 2009 yılında Atatuumlrk Uumlniversitesi Fen Fakuumlltesi Kimya Boumlluumlmuumlnde
başladı ve 2013 yılında mezun oldu 2013 yılının eyluumll ayında Anorganik Kimya
alanında yuumlksek lisansa başladı 2015 yılının ocak ayında yuumlksek lisansını tamamladı
Eğitim
2005 ndash 2009 İMKB Lisesi
2009 ndash 2013 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Lisans)
2013 ndash 2015 Atatuumlrk Uumlniversitesi Kimya Boumlluumlmuuml (Yuumlksek Lisans)
Yayınlar
Kuumlbra GUumlNGOumlRMEZ Oumlnder METİN Composition-controlled catalysis of CuPd
alloy nanoparticles in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia borane Applied
Catalysis A General 2015 doi101016japcata baskıdadır