Hidrojen, özellikle yakıt hücresi teknolojisi için uygulanan alternatif bir temiz enerji kaynağı olma potansiyeline sahiptir. Mevcut yakıt kaynakları, karbon içeren fosil yakıtları veya karbon içeren organik molekülleri içerir ve bu da bir sera gazı fazlası olan CO2 üretir. Japonya'daki ulusal girişimler de dâhil olmak üzere birçok girişim, alternatif yakıt kaynakları kullanarak düşük karbonlu bir kullanım toplumu yaratmayı hedeflemektedir.
Japonya'daki Enerji Dağıtıcıları girişimi, özellikle hidrojeni etkili bir şekilde depolamak ve taşımanın yollarını arayan ulusal bir projedir. Bunu yapmanın bir yolu amonyağı hidrojen kaynağı olarak kullanmaktır. Bununla birlikte, amonyağın parçalanması için etkili bir prosesin bulunmasının zor olduğu kanıtlamıştır, çünkü amonyağın parçalanması için katalitik proses, aşırı pahalı olabilecek sürekli bir ısı ilavesi gerektirir.
Japonya'daki Oita Üniversitesi'nden Katsutoshi Nagaoka, Takaaki Eboshi, Yuma Takeishi, Ryo Tasaki, Kyoto Honda, Kazuya Imamura ve Katsutoshi Sato, katalitik döngü boyunca harici ısı eklenmeden amonyaktan hidrojen üretmek için yeni bir katalizör yöntemi geliştirdiler.
Amonyağın hidrojen ve azota ayrılması endotermik bir işlemdir, yani ürün elde etmek için enerjinin eklenmesini gerektirir. Bu, geleneksel katalitik ayrışma reaksiyonlarında, yeterli miktarda hidrojen gazı elde etmek için büyük miktarda ısı ilavesi gerektirdiği anlamına gelir.
Nagaoka ve arkadaşları Ƴ-Al2O3 katalizör yatağı üzerinde desteklenen bir RuO2 nano partikülünden yapılmış bir katalizör geliştirdi. H2O ve CO2 katalizörünü temizledikten sonra, amonyak ve oksijen, amonyağın katalitik yüzeye adsorbe edildiği reaksiyon kabına ilave edildi ve sıcaklık artışı sağlandı. Sıcaklıktaki bu artış, ekzotermik bir prosese sahip olan amonyağın oksidatif dekompozisyonunu katalize etti. Bu reaksiyonu ısıtıp amonyağın, hidrojen ve nitrojene endotermik ayrışması için gerekli enerjiyi sağladı.
Katalizör ön-işlemi, suyun ve karbondioksitin uzaklaştırılması için ısıtma gerektiriyordu, ancak sonraki tekrar ısıtmayı gerektirmedi. Katalizör döngüsü testleri, 300 oC'de helyum ile RuO2 / γ-Al203 katalizörünün ilk ön-işleminden sonra katalizörün üç defa döngülemesine ve hala maksimum verimde hidrojen üretebildiğini gösterdi.
Ayrıca, bu çalışmalar, Ru'nun RuO2'ye oksidasyonundan hiçbir ısının üretilmemesini sağlamak için oksidatif pasifleştirmeyi içermektedir. Uygulamada, oksidatif pasivasyon gerekli olmayacaktır. Bu nedenle, katalizörü ön işleme tabi tutmak için ısıtma gerekli olsa da, ilave katalizör çevrimi için ısıtma gerekli değildir.
RuO2 / γ-Al2O3 katalizörünün nasıl çalıştığını anlamak için, Nagaoka ve arkadaşları Bilinen bir amonyak ayrışma katalizörü olan RuO2 / γ-Al203'ün kendiliğinden ısınmasından kaynaklanan maksimum katalitik yatak sıcaklığını karşılaştırdılar. Alüminyum esaslı katalizörün 97 oC maksimum sıcaklığa kadar ısıtıldığını keşfettiler; buna karşılık lantan bazlı katalizör, 53 oC'lik bir maksimum sıcaklığa kadar ısıtıldı. Bu önemlidir, çünkü amonyağın oksidatif olarak yakılması için otomatik ateşleme sıcaklığı 90 oC'dir ve RuO2 / γ-Al2O3 ile daha iyi reaksiyon verimleri elde edilmesinin nedenini açıklar.
Araştırmacılar, adsorpsiyon sıcaklığındaki bu farkın muhtemelen bir bazik molekül olan amonyak ile bir Lewis asidi olan Al203 arasındaki olumlu etkileşime bağlı olduğuna dikkat çekmektedir. La2O3 ise bir Lewis tabanıdır.
Ayrıca, araştırmacılar katalizör olarak yalın γ-Al203 ve RuO2 / γ-Al203 arasındaki farka baktılar. Amonyağın %90'ının, katalizör yatağı ve RuO2 nanopartikülüne kıyasla yalın γ-Al203 üzerine adsorbe olduğunu buldular. Bu, amonyağın nanopartikül ve γ-Al2O3 üzerine kemoterapi edildiğini ve daha sonra çok katmanlı fizosorpsiyonu ilerlettiğini ima eder.
Genel olarak, bu tip katalizör, amonyağın hidrojen ve azot gazı içine endotermik ayrışması için gerekli ısı gereksinimlerini aşmak için yeterli ısının sağlanmasında yararlıdır. Bu çalışma, kendiliğinden ısıtma katalizinin, hidrojeni yakıt kaynağı olarak amonyağı kullanmanın pratik zorluklarına çözüm bulmak için uygulanabilir bir seçenek olduğunu göstermektedir.
ÖZET
Amonyak, karbon içermeyen bir hidrojen kaynağı olarak önerilmiştir, ancak amonyaktan hızlı başlatma ile hidrojen üretmek için uygun bir yöntem geliştirilmemiştir. İdeal olarak, bu yöntem harici enerji girişi gerektirmez. Amonyak ve O2'yi oda sıcaklığında asidik RuO2 / γ-Al2O3 katalizörüne maruz bırakarak hidrojen üretimini gösteriyoruz. Amonyağın katalizör üzerine adsorpsiyonu eksotermik olduğu için, katalizör yatağı hızla katalitik amonyak kendiliğinden tutuşma sıcaklığına ısıtılır ve daha sonra amonyakın oksidatif bozunması hidrojen üretir. Bir hacimsel gaz adsorpsiyon analizcisi ile kombine edilmiş diferansiyel kalorimetre, hem amonyağın RuO2'ye kimyasal adsorpsiyonu, hem de γ-Al2O3 üzerindeki asidik alanlar ve çoklu amonyak moleküllerinin fizosorpsiyonu ile büyük miktarda ısı elde edilmiştir.
Daha fazla:Katsutoshi Nagaoka et al. Carbon-free Hproduction from ammonia triggered at room temperature with an acidic RuO/γ-AlOcatalyst, Science Advances (2017). DOI: 10.1126/sciadv.1602747
Yayınlama tarihi: 22.05.2017
Referans Dergi: Science Advances
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder