Au-TiO2Katalizörlüğünde Etanolden Fotokatalizle Hidrojen Üretimi

Abstract

Dünya genelinde artan nüfus ve kentleşmeyle birlikte endüstri, teknoloji ve enerji ihtiyacı da artmıştır. Bu ihtiyacı basit bir şekilde ve çevreyi koruyarak karşılamak dünyanın yüzleşmesi gerektiği en büyük problemlerden biridir. Bununla birlikte artan enerji ihtiyacı araştırmacıları hidrojen enerjisi gibi temiz ve alternatif enerji kaynakları aramaya yönlendirmiştir.

Hidrojen, yapısında karbon bulundurmadığı için kirliliğe yol açmayan bir enerji kaynağıdır. Aynı zamanda yandığında enerji verdiği için de bir taşıyıcı kaynaktır. Hidrojen, buhar reformasyonu, parçalı oksidasyon, termal ve kuru reformasyon, suyun elektrolizi, fotoliz, kömür gazlaştırılması, biyokütle çevrimi ve suyun direk termal ayrışması yöntemleriyle elde edilir. Bunların yanında etanol, hidrojen üretimi için en uygun kaynaktır çünkü bütün süreçte CO₂salınımı sıfırdır. Hidrojen elde etmek için bir diğer yöntem de fotokatalizdir ve bu yöntem son yıllarda araştırmacılar arasında popüler olmuştur.

Bu çalışmada fotokataliz yöntemiyle hidrojen elde edilmesi amaçlanmıştır. TiO₂’in anataz formu katalizör olarak ve altın yarı iletken soy metal desteği olarak kullanılmıştır. 25 ve 50 mg Au/TiO₂ alınmış ve 400°C’de H₂ gazında bir gün boyunca kapalı bir cam reaktör içerisinde indirgenmeye bırakılmıştır. Cam reaktör soğuduktan sonra içerisindeki hidrojen azot ile süpürülmüştür. Farklı oranlarda etanol/su karışımı cam reaktöre eklenmiş ve reaksiyon sırasında oluşan CO azot gazıyla süpürülmüştür. Kapalı cam reaktör daha sonra UV ışımasına maruz bırakılmıştır. Aynı işlem 1:1, 2:1 ve 4:1 oranlarındaki etanol/su karışımlarına uygulanmıştır. Elde edilen hidrojen GC-TCD yöntemi ile analiz edilmiştir. Tepkime hızının katalizör miktarı ile doğru orantılı olduğu görülmüştür. Katalizör derişimindeki değişimin [0.25 – 0.5 g/L], soğurulan foton miktarındaki değişime etki etmediği gözlenmiştir. Farklı miktarlardaki etanol/su oranlarının hidrojen eldesindeki aktiflikleri karşılaştırılmış ve 2:1 oranının en aktif olduğu belirlenmiştir. Düşük derişimde su hidrojen üretim oranını arttırdığı gözlenmiştir. Bunun açıklaması ise düşük derişimde su, oksijen yüzeylerinin yerine geçer şeklinde yapılabilir. Yüzeydeki oksijen CO’i CO₂’ye yükseltgeyebilir.

Alternate abstract:

Increasing population and urbanization worldwide increase the industry, technology and especially lack of energy. Fulfilling this need of energy, basic materials and the protection of environment are major problems that world has to face. Nevertheless, increase in lack of energy leads the researchers to investigate alternative energy resources such as hydrogen energy which is a clean resource. Hydrogen is pollution-free resource hence it doesn’t contain any carbons. It is a carrier of because its combustion releases energy.

Hydrogen can be generated by steam reforming, partial oxidation, autothermal and dry reforming, water electrolysis, biological hydrogen production, photo-dissociation, direct thermal or catalytic splitting of water. Beyond these ethanol is a suitable resource for producing hydrogen because in the whole process CO₂emission is near zero. One of the methods to produce hydrogen from ethanol is photocatalysis and this process is becoming more popular by researchers.

In this work production of hydrogen with photocatalytic method is studied. TiO₂ anatase is used as a photocatalyst and Au is used as supportive noble metal to the semiconductor. 25 mg and 50 mg Au/TiO₂ is reduced in a batch reactor at 400°C under H₂ gas. After cooling, H₂ is purged with N₂. Different amounts of water and ethanol are added. Composed CO is purged with N₂. After that batch reactor is put under UV irradiation. The same process was repeated with different rates of water-ethanol mixture. The rates are 1:1, 2:1 and 4:1. In addition, the fraction from photocatalysis has been analyzed by using GC-TCD method.

The linearity between photons absorbed and amount of catalyst is investigated and it is found to be directly proportional. Changing catalyst concentration [0.25 – 0.5 g/L] does not affect the amount of photons absorbed. In addition the effect of different rates of ethanol/water mixtures in hydrogen production in the presence of Au/TiO₂ is compared. It is found that in the rate of 2:1 is more effective. At low concentration water seems to enhance the rate of hydrogen production. The possible explanation could be that at low concentration water may replace surface of oxygen vacancies. Surface oxygen may be used to oxidize CO to CO₂.