Biyokütle verimliliğinde tek bileşenli metal katalizörler

Sürdürülebilir toplumlar elde edebilmek için akademik ve endüstriyel anlamda birçok yöntem üzerinde çalışılarak geliştirilmiştir. Biyokütlenin kimyasallar ve enerji depolama için hammadde olarak kullanımı da bu yöntemlere alternatif olarak gösterilmiştir¹. Kimyasal ve yakıt üretiminde biyokütlenin seçici hidrojenolizi önemli rol oynamaktadır². Biyo temelli bileşiklerin en kritiği olan 5-hidroksimetalfurfural (HMF), köprü hammaddesi olarak biyokütle kaynağı ve kimyasallar arasında hizmet eder. HMF’de aldehit ve hidroksimetil gruplarının  bulunması hidrojenasyon, oksidatif dehidrojenasyon, esterifikasyon, hidroliz yöntemleriyle yüksek değerli kimyasal üretimini sağlamaktadır.

Bunlar arasında, potansiyel bir sıvı biyoyakıt adayı olarak HMF’nin 2,5-dimetlitfurana ((CH₃)₂C₄H₂O, DMF) seçicici hidrojenolizi büyük ilgi çekmiştir¹. Biyoyakıt üretimindeki meydana gelen gelişmelerin ürünü olan DMF ticari benzin (90-100) ve etanole (110) göre daha yüksek RON’a (araştırma oktan sayısı, 119) sahiptir. Oktan sayısının fazla olması vuruntu direncini artırarak yüksek sıkıştırma oranlarının seçilmesi sağlanır bu da motorun efektif verimini artıracağı yönünde beklentileri yükseltmektedir. Depolama açısından da sorun teşkil etmeyen DMF suda çözünmezdir. Fiziksel ve kimyasal özellik olarak benzine benzemekle birlikte etanolden daha iyi performans göstermektedir. Bu durum yakıt kullanım verimliliğini artırmak ayrıca yüksek sıkıştırma oranlarına sahip içten yanmalı motorlarda kullanılabilir olması açısından oldukça önemlidir^1,3.

Plastik şişe ve polyester giysilerin imalatında kullanılan tereftalik asit ve dimetil tereftalat monomerlerinin üretimi için p-ksilen anahtar bir rol oynamaktadır. DMF, etilen ile Diels-Alder reaksiyonu vasıtasıyla biyo temelli p-ksilenin (PX) doğrudan sentezi için reaktant olarak kritik bir rol üstlenmektedir. Alışılagelmiş petrol esaslı PX üretimine kıyasla bu tür biyo temelli süreç yüksek seçicilik gösterir ve çok aşamalı ayrıştırma sürecini önler¹.

Doğu Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden ve Sinopec Şanghay Petrokimya Teknolojisi Araştırma Enstitüsü Co., Ltd.’den Prof. Weimin Yang liderliğindeki bir araştırma ekibi, HMF’nin DMF’ye seçici hidrojenolizi için son derece düşük Ni yüklemeli H₂ ile aktive edilmiş karbon (HC) destekli Ni-C₃N₄ katalizörünü raporlayıp sunmaktadırlar¹. Bu çalışmada basit bir koordinasyon-emdirme-piroliz yöntemi ile sentezlenen H₂ ile aktive edilmiş karbon (HC) üzerine desteklenmiş Ni-C₃N₄ katalizörünün, 5-hidroksimetilfurfuralın (HMF) 2,5-dimetilfurana (DMF) hidrojenolizinde etkin olduğu beyan edilmiştir. Bu hidrojenolizde birden fazla reaksiyon ve bu reaksiyonlarda aktif olacak katalizörler gereklidir. Reaksiyon için metal alaşımları veya karbon, metal organik çerçeve ve zeolit gibi çeşitli destekler üzerinde metal parçacıkları kullanılmıştır. DMF, taraflı reaktörde %94,2 gibi yüksek bir verim gösterirken, sabit yataklı reaktörde 120 saatten uzun süre dayanıklılık sağlayarak uzun ömürlü bir çözüm sunmaktadır. Ni nanoparçacıklarının grafitik C₃N₄ kabuğu ile kaplandığı ve HC yüzeyinde yüksek oranda dağıldığı, Ni yüklemesinin ise sadece %0,86 ağırlık oranında olduğu gösterilmiş olup bunun da reaksiyon süresince Ni nanoparçacıklarının yoğunlaşmasını engelleyici etkiye sahip olduğunu göstermektedir². Raporda DMF’in 100-200 °C sıcaklıklar arasında dikkate değer derecede yüksek üretkenlik (12,8 mmol DMF·mmol Ni^-1·saat^-1) sergilediği de aktarılmıştır. Bilinen en iyi Ni, Co ve Cu bazlı katalizörlerden çok daha üst düzey performans sağlamakta ve asil metal katalizörlerle de karşılaştırılabilir niteliktedir¹.

Analizlerin ve teorik hesaplamaların sonucu hidrojenoliz için aktif bileşenin Ni₃N olduğunu ve C₃N₄ kabuklarının Ni parçacıklarını stabilize ettiğini ve reaksiyon sırasında statik birikimi engellediği ortaya konulmuştur^1,2.

Sonuç olarak Prof. Yang önderliğinde gerçekleştirilen bu çalışma hidrojenasyon ve hidrojenoliz reaksiyonları için tek bileşenli asil olmayan metal katalizörlerin tasarımını ilerletebilir. Kimyasal üretiminde temel hammadde olarak biyokütlenin kullanımı ise sürdürülebilirlik açısından büyük umut vadetmektedir.

Kaynaklar 

1. https://phys.org/news/2024-07-catalysts-noble-metal-component-efficient.html
2. Qu, H., Hu, W., Li, X., Xu, R., Han, X., Li, J., … & Yang, W. (2024). Efficient hydrogenolysis of 5-hydroxymethylfurfural to 2, 5-dimethylfuran over Ni-C3N4 catalysts with ultra-low Ni loading. Chinese Journal of Catalysis, 60, 253-261.
3. Çakmak, A., & Özcan, H. (2018). Benzin için oksijenli yakıt katkıları. Politeknik Dergisi, 21(4), 831-840.