amonyak boran'ın dehidrojenlenmesi için oldukça aktif ve ekonomik

72
AMONYAK BORAN’IN DEHİDROJENLENMESİ İÇİN OLDUKÇA AKTİF VE EKONOMİK BİR KATALİZÖR OLARAK İNDİRGENMİŞ GRAFEN OKSİTE DESTEKLENMİŞ Cu 3 Pd ALAŞIM NANOPARTİKÜLLERİ Kübra GÜNGÖRMEZ Yüksek Lisans Tezi Kimya Anabilim Dalı Anorganik Kimya Bilim Dalı Doç. Dr. Önder METİN 2015 Her hakkı saklıdır

Upload: doannhi

Post on 31-Jan-2017

219 views

Category:

Documents


0 download

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