Hidrojen depolanmasında dimetilamin boranın dehidrojenlenmesini katalizleyecek bakır nanopartiküllerinin sentezi, tanımlanması ve katalitik aktivitesinin sınanması

Abstract

Enerjiye olan ihtiyaç gün geçtikçe artmaktadır. Bu nedenle çevreyi kirletmeyen, yenilenebilir ve sürdürülebilir enerji kaynakları içerisinde hidrojen enerjisi büyük önem taşımaktadır. Ancak hidrojenin uygulanabilirliğini engelleyen en önemli konu hidrojenin depolanmasıdır. Yüksek hidrojen depolama kapasiteleriyle amin boranlar gelecek vaat etmektedir. Amin boranlar içerisinde ağırlıkça %16,9 hidrojen depolama kapasitesi, yüksek kararlılığı ve çevre dostu olması ile dimetilamin boran hidrojen depolama malzemesi olarak özel bir yere sahiptir.

Bu çalışmada, düşük erime noktasına sahip olan (35°C) dimetilamin boran indirgeyici olarak kullanılırken bakır(0) nanopartikülleri ise aktif katalizör olarak dimetilamin boranın dehidrojenlenmesinde kullanıldı. Cu(acac)2 ve eriyik haldeki dimetilamin boranın yaklaşık oda sıcaklığında (30°C) çözücüsüz olarak etkileşmesi sonucu reaksiyon ortamında oluşan bis(dimetilamino)boran, (Me2N)2BH, ile kararlılaştırılmış bakır(0) nanopartiküllerinin dimetilamin boranın dehidrojenlenme reaksiyonu üzerine katalitik aktivitesi incelendi ve aktivasyon enerjisi Ea = 18 + 2 kjmol-1 olarak hesaplandı. Yeniden kullanılabilen, oldukça ucuz, aktif ve kararlı olan bakır(0) nanopartiküllerinin ortalama parçacık boyutunun 2,9 + 0,2 nm olduğu TEM görüntülerinden tespit edildi. Elde edilen bakır(0) nanopartiküllerinin yaklaşık oda sıcaklığında dimetilamin boranın neredeyse tamamen siklik dimetilamino boran, [Me2NBH2]n, ve bis(dimetilamino)boran, (Me2N)2BH,’a dönüştüğü dehidrojenlenme tepkimesinde 1,0 eşdeğer H2 üretimi ile 50 saati aşkın bir süre boyunca toplam 200 çevrim sayısına ve 19 sa-1 başlangıç frekansına sahip olduğu açıkça gözlendi. Çözücüsüz ortamda elde edilen bu nanopartiküller TEM, EDX, HRTEM, P-XRD, 11B{1H}-NMR, ATR-IR ve UV-Vis teknikleri ile tanımlandı.

The need for energy is increasing day by day. Therefore, hydrogen energy in non-polluting, renewable and sustainable energy sources is of great importance. However, the most important issue that the applicability of hydrogen prevents is hydrogen storage. Amine boranes have been promising with high hydrogen storage capacity. Among amine boranes, dimethylamine-borane has a special place owing to its impressive gravimetric hydrogen capacity of 16,9 wt %, high stability and environmentally friendly as a hydrogen storage material.

In this study, dimethylamine-borane which has low melting point (35°C) was used as reducing agent while copper(0) nanoparticles were used as the active catalyst in the dehydrogenation of dimethylamine-borane. Catalytic activity of in situ generated copper(0) nanoparticles by stabilizing bis(dimethylamino) borane, (Me2N)2BH, obtained as a result of interaction of Cu(acac)2 and melted dimethylamine-borane at nearly room temperature(30°C) in solventless medium was examined and activation energy, Ea, was determined as 18 + 2 kjmol-1. Average particle size of reusable, relatively inexpensive, active and stable copper(0) nanoparticles was calculated from TEM images as 2,9 + 0,2 nm. It was clearly observed that the resulting copper(0) nanoparticles were provided 200 total turnovers over 50 h with an initial turnover frequency (TOF) value of 19 h−1 at nearly room temperature with the generation of 1,0 equiv H2 at the almost complete conversion of dimethylamine borane to cylic dimethylamino borane, [Me2NBH2]n, and bis(dimethylamino) borane, (Me2N)2BH, units. These nanoparticles obtained under solventless medium were charactarized by TEM, EDX, HRTEM, P-XRD, 11B {1 H}-NMR, ATR-IR and UV-Vis techniques