Spinel yapılı nanokompozit tozların üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

Atmosferdeki karbondioksit (CO2) seviyeleri endüstriyel faaliyetler, fosil yakıt kullanımı ve ormansızlaşma gibi insan faaliyetlerinin bir sonucu olarak artmaktadır. 2021 yılı itibarıyla, atmosferdeki CO2 seviyeleri yaklaşık 415 ppm olarak kaydedilmiştir. Bu seviye, son 800.000 yılda görülmüş en yüksek değerdir. Bilim insanları, atmosferdeki CO2 seviyelerinin artmasının ve diğer sera gazlarının atmosferde birikmesinin, küresel ısınma ve iklim değişikliği üzerinde önemli etkileri olduğunu belirtmektedir. Ayrıca, hükümetler ve uluslararası kuruluşlar, CO2 emisyonlarını azaltarak iklim değişikliği ile mücadele etmek için politika ve önlemler geliştirmeye devam etmektedirler. Hükümetlerarası İklim Değişikliği Paneli (The Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) 2023 raporuna göre, dünya hızla fosil yakıtların kullanımından vazgeçmelidir. Devam eden sera gazı emisyonları, dikkate alınan senaryolar ve modellenen yollarla yakın vadede küresel ısınmanın artmasına sebep olacaktır. 1,5 °C' ye (>%50) kadar ısınmayı sınırlayan tüm küresel model yolları, aşım olmadan veya sınırlı aşım ile birlikte, bu on yılda tüm sektörlerde hızlı ve acil sera gazı emisyonlarında azalmayı gerektirmektedir. Bu model kategorileri için küresel net sıfır CO2 emisyonlarına 2050' lerin başlarında ulaşılabilir. CO2 metanasyon reaksiyonu, atmosferdeki karbondioksit seviyelerinin azaltılması ve iklim değişikliği ile mücadelede önemli bir yöntem olarak değerlendirilmiştir. Bu reaksiyon, karbondioksitin (CO2) ve hidrojenin (H2) metana (CH4) dönüştürülmesini içeren ekzotermik bir süreçtir. Metanasyon reaksiyonları, karbon yakalama ve kullanma süreçlerinde, yenilenebilir enerji sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. CO2 metanasyon reaksiyonunun genel denklemi şu şekildedir: CO2+ 4H2 ↔ CH4 + 2H2O(g) ∆𝐻298K=−164kJ/mol CO2 metanasyon reaksiyonunun, katalizör ve deneysel koşullara bağlı olarak genellikle 200 °C ile 450 °C sıcaklık aralığında gerçekleştiği belirlenmiştir. Yakın geçmişte konuyla ilgili birkaç makale yayınlanmış olmasına rağmen, esas olarak hız belirleme adımında yer alan ara bileşiğin belirlenmesindeki belirsizlik nedeniyle, reaksiyonun çalışma mekanizması hakkında genel bir fikir birliği yoktur. CH4, doğal gazın ana bileşeni olup daha düşük sera gazı etkisi potansiyeline sahip olması nedeniyle sürdürülebilir enerji sistemleri açısından önemli bir enerji taşıyıcısı olarak değerlendirilmiştir. Bu nedenle, araştırmacılar ve endüstri uzmanları, CO2 metanasyonu teknolojilerinin geliştirilmesi ve uygulanması üzerinde çalışmaktadır. Ancak, bu teknolojilerin daha geniş çapta benimsenmesi ve ticarileştirilmesi için daha fazla gelişme ve maliyet azaltma gerekmektedir. Buna ek olarak, katalizör deaktivasyonu, sınırlı seçicilik ve yüksek dönüşüm oranlarında düşük uzun vadeli kararlılık gibi zorlukların da giderilmesi gerekmektedir; böylece endüstriyel koşullarda güvenilir bir performans sağlanabilir. Bu reaksiyon genellikle yüksek sıcaklık ve basınçlarda gerçekleştirilmektedir ve reaksiyon hızını artırmak için bir katalizörün varlığına ihtiyaç duyulmaktadır. CO2 metanasyon reaksiyonlarında yaygın olarak kullanılan katalizörler, alümina (Al2O3) veya silika (SiO2) gibi çeşitli malzemeler üzerinde desteklenen nikel (Ni) ve kobalt (Co) gibi geçiş metallerini içermektedir. Bu katalizörler, reaktanların daha verimli bir şekilde adsorbe edilebileceği ve kimyasal dönüşümlere girebileceği aktif bölgeler sağlamaktadır. CO2 metanasyon reaksiyonu ekzotermiktir, yani ısı açığa çıkartmaktadır. Bu özellik, endüstriyel atık ısı veya güneş/rüzgar enerjisi gibi yenilenebilir enerji sistemleri gibi aşırı ısının mevcut olduğu süreçlerde ısı entegrasyonu için uygun hale getirmektedir. CO2' yi değerli bir enerji taşıyıcısı olan CH4' e dönüştüren reaksiyon, sera gazı emisyonlarını azaltmaya yardımcı olurken kullanılabilir bir yakıt sağlamaktadır. Günümüzde endüstriyel sentezlerin çoğu gibi CO2 metanasyon reaksiyonu da katalizör gerektirmektedir ve bu nedenle katalitik malzemeler üzerindeki araştırmalar uygun katalizörlerin geliştirilmesi için önem arz etmektedir. Heterojen katalizde, uygun katalizörlerin çoğu aktif bileşen/bileşenlerden ve destek malzemesinden oluşmaktadır. Genel olarak katalizör destekleri, katalizörün dağılımını, spesifik yüzey alanını ve stabilitesini artıran aktif bileşen/bileşenler için bir konak olarak kullanılmaktadır. Spesifik yüzey alanı, gözeneklilik, partikül boyutu ve şekli, mekanik ve termal kararlılık, katalizör desteklerinin uygunluğunu belirleyen en önemli özelliklerdir. Son yıllarda, yüksek termal stabiliteye ve yapısal çok yönlülüğe sahip taşıyıcılara olan talep nedeniyle, spinel oksitler de dâhil olmak üzere seramik tabanlı sistemlere olan ilginin arttığı belirlenmiştir. Spinel faz içeren kompozit malzemeler; yüksek sıcaklık stabilitesi, kimyasal dayanım, aşınma direnci, düşük termal genleşme katsayısı ve optik geçirgenlik gibi üstün fiziksel ve kimyasal özellikleri sayesinde ileri teknolojilere yönelik birçok uygulamada tercih edilmektedir. Spinel yapıların oluşumu; sıcaklık, süre ve kullanılan öncül maddeler gibi birçok parametreye bağlı olduğu literatürde gösterilmiştir. Özellikle oksit bazlı sistemler, şeffaf seramik malzemeler arasında geniş bir uygulama alanına sahiptir. Oksit temelli şeffaf seramikler; florür bileşiklerine kıyasla daha yüksek mekanik dayanım, oksit olmayan sistemlere göre ise daha yüksek kimyasal kararlılık göstermektedir. Ayrıca, spinel malzemelerin bileşim ve morfolojilerinin özelleştirilebilme yeteneği; fotonik, katı oksit yakıt pilleri ve heterojen kataliz gibi alanlarda yeni olanaklar sunmuştur. Yapılan literatür incelemeleri, MgAl2O4 ve NiAl2O4 gibi spinel yapılı nanokompozitlerin sentezinde hidrotermal ve kimyasal yöntemlerin yaygın olarak kullanıldığını göstermiştir. Bu tez çalışmasında ise, üç farklı kimyasal üretim yöntemi, ultrasonik sprey piroliz (USP), sol–jel ve çözelti yanma sentezi (SCS), ile MgAl2O4 ve NiAl2O4 tozları sentezlenmiştir. Özellikle SCS yönteminin kısa reaksiyon süresi, düşük enerji tüketimi ve yüksek ürün verimi sunduğu belirlenmiştir. USP ve sol–jel yöntemleri ile elde edilen numunelerin kontrollü morfoloji ve homojen yapı özellikleri karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Bu yöntemler doğru şekilde optimize edilerek, elde edilen spinel malzemelerin hem yapısal hem de katalitik özelliklerinde önemli iyileşmeler sağlanmıştır. Tez kapsamında, yüksek saflıkta nitrat tuzlarından hazırlanan başlangıç çözeltileri kullanılarak nano/mikron-altı boyutta MgAl2O4 ve NiAl2O4 tozları sentezlenmiş; ardından sentezlenen bu yapıların XRD, BET, SEM/EDS, TEM, TGA, FT–IR gibi analiz teknikleriyle yapısal ve morfolojik karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Böylece üretim yöntemi–malzeme yapısı ilişkisi ortaya konularak sentez parametreleri optimize edilmiştir. Bu değerlendirmeler, kontrollü fizikokimyasal özelliklere sahip yüksek performanslı katalizör desteklerini elde etmek için en etkili sentez yönteminin belirlenmesine temel oluşturmuştur. Üretilen MgAl2O4 ve NiAl2O4 spinel tozlar, ileri uygulamalar açısından özellikle katalizör destek malzemesi olarak değerlendirilmiştir. Bu kapsamda yaş emprenye (wet impregnation) yöntemiyle geçiş metalleri (ör. Ni, Fe, Co) veya nadir toprak elementleri (ör. La, Ce, Ga) bu desteklere yüklenerek katalizör sistemleri oluşturulmuş ve bu sistemlerin katalitik performansları deneysel olarak test edilmiştir. Bu sayede, spinel yapıların enerji dönüşüm uygulamalarındaki potansiyeli ortaya konmuştur. Bu tez çalışmasında, spinel bazlı katalizör desteklerinin sentez–yapı–performans ilişkisi sistematik olarak incelenmiştir. Ayrıca, küresel iklim sorunlarına yönelik artan aciliyet göz önüne alındığında, yalnızca verimli ve kararlı değil, aynı zamanda ekonomik olarak uygulanabilir katalizör sistemlerinin geliştirilmesinin büyük önem taşıdığı ortaya konmuştur. Özelleştirilmiş yüzey özelliklerine ve metal bileşimlerine sahip nano-yapılı spinel desteklerin entegrasyonunun, katalitik aktivite ve seçiciliğin optimize edilmesi açısından etkili bir yaklaşım olduğu belirlenmiştir. Bu alandaki çalışmaların, malzeme bilimi, kataliz mühendisliği ve çevre teknolojilerini bir araya getiren disiplinlerarası yaklaşımlarla ilerlediği görülmüştür. Bu tez çalışması, spinel bazlı katalizör desteklerinin sentez–yapı–performans ilişkilerini sistematik olarak inceleyerek, düşük karbonlu enerji sistemlerine geçişe yönelik literatüre özgün ve uygulanabilir bir katkı sağlamıştır.