Borlu YakÄ±tlar ve YakÄ±t Pilleri, Prof.Dr.Ali ATA

Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü 

SODYUM BOR HİDRÜR: 

ÜRETİMİ, HİDROLİZİ VE 

KULLANIMI 

Prof. Ali Ata , Prof. Rafig Alibeyli 

1

Ana Başlıklar 


HİDROJENİN BOR HİDRÜRLERDE DEPOLANMASI 

SODYUM BOR HİDRÜRÜN (SBH) ÖZELLİKLERİ 

SODYUM BOR HİDRÜRÜN SENTEZİ 

SBH HİDROLİZİ VE HİDROJEN ELDESİ 

SBH KULLANIMI 

2

Hidrojenin Depolanması 


Derin soğutma (- 252.77°C) ile 

sıvılaştırma; 

Yüksek basınç ( 300 - 750 bar) altında 

depolama ; 

Metallerde ve ara metallerde 

depolama; 

Kimyasallarda (bor hidrürler vs.) 

depolama ; 

Karbon nanotüplerde depolama. 

3

Kimyasal Depolama-Bor Hidrürler 


• Bor hidrürler, boranlar (B n H n+4 veya B n H n+6 ) 

ve metal bor hidrürler (MeBH 4 ) olmak üzere iki 

kısma ayrılır. 

Boranların tipleri ve kimyasal yapıları: 

• Diboran --- B 2 H 6 

• Pentaboran --- B 5 H 9 ve B 5 H 11 

• Tetraboran --- B 4 H 10 

• Hekzaboran --- B 6 H 10 

• Dekaboran --- B 10 H 14 vs. 

4


• Boranlar bor bileşiklerinden çeşitli yöntemlerle 

elde edilebilir. Suda çözündüğünde bozulur ve 

hidroliz ile hidrojen gazı oluşturur: 

B 2 H 6 + 6 H 2 O 2 H 3 BO 3 + 6H 2 

• Boranların kusuru zehirli olmalarıdır. Bu 

nedenle, hidrojen depolayıcısı olarak metal bor 

hidrürler daha elverişlidirler. 

5

Sodyum Bor Hidrür (SBH) 


• Günümüzde çeşitli metal bor hidrürler 

mevcuttur ve bunların içerisinde, 

gerek fiziko-kimyasal özelliklerine 

gerekse de tehlikesizliğine göre en 

önemlilerinden biri sodyum bor 

hidrürdür. 

6

NaBH 4 ’ün Özellikleri 


Görünüşü ve kristal yapısı : Beyaz kübik krist 

Ergime sıcaklığı 

: 400 o C’de parçalanır 

Yoğunluğu : 1.07 g/cm 3 

Suda çözünürlüğü (25 o C) : 550 g/l 

Refraksiyon sayısı : 1.542 

Alevlenme sıcaklığı : 220 o C 

Yanma ısısı 

: 7723 Kkal/kg 

7


8

SBH KULLANIM ALANLARI 


Füze yakıtlarında katkı malzemesi olarak 

Roketlerde ve Jet motorlarında yüksek saflıkta 

hidrojen kaynağı olarak 

Katı roket yakıtlarında vs. 

Kağıt, tekstil ve deri sanayilerinde 

Seramik, porselen ve cam sanayilerinde 

İlaç ve kozmetik sanayilerinde 

Yüksek saflıklı organik bileşiklerin üretiminde vs. 

9


• Ancak, dünya çapında hidrojen ve yakıt pilleri 

teknolojilerinin hızla gelişmesi nedeniyle, SBH’nin 

yakın bir zamanda enerji depolayıcı yakıt olarak en 

geniş kullanım alanına kavuşma potansiyeli 

yüksektir. 

• Saf NaBH4 ağırlıkça %10,6 hidrojen içermektedir. 

• SBH yapısındaki hidrojenin elde edilmesi için, su ile 

katalitik hidroliz tepkimesinin gerçekleştirilmesi 

gerekmektedir. 

10


11


• SBH’nin hidrojen depolayıcısı olarak 

önemli özelliklerinden birisi de, su ile 

hidrolizi sonucu suyun içerdiği hidrojeni de 

açığa çıkarmasıdır: 

NaBH 4 + 2H 2 0 4H 2 + NaBO 2 + Isı (210 kJ) 

• Böylece, SBH’den elde edilen toplam 

hidrojen miktarı artarak, ağırlıkça % 

21.2’e ulaşmaktadır. 

12


13

SBH ÜRETİMİ 


SBH çeşitli bor bileşiklerinden (B 2 O 3 , H 3 BO 3 , 

Na 2 B 4 O 7 , NaBO 2 vb.) çok değişik yöntemlerle 

sentezlenebilir. 

Bu yöntemlerin her birinin teknolojik ve 

ekonomik açıdan üstünlükleri ve problemleri 

vardır. 

Ancak SBH’nin sentezi için çok farklı yöntemlerin 

olmasına rağmen, günümüzde sanayi ölçeğinde 

üretilmesi esasen iki yöntemle gerçekleştirilir: 

14


Schlesinger Prosesi: 

(T=250-300°C,P=3-10 bar) 

2Na + H 2 2NaH 

H 3 BO 3 + 3CH 3 OH B(OCH 3 ) 3 + 3H 2 O 

B(OCH 3 ) 3 + 4NaH NaBH 4 + 3NaOCH 3 

15


Bayer Prosesi: 

(T=450-500°C , P=3 bar) 

Na 2 B 4 O 7 + 16Na + 7SiO 2 + 8H 2 

4NaBH 4 + 7Na 2 SiO 3 

16


SCHLİSINGER VE BAYER 

PROSESLERİNİN PROBLEMLERİ: 

Büyük oranda (1mol SBH için 4 mol) pahalı 

Na metali kullanılması ve proses sürecinde 

az değerli NaOCH 3 veya Na 2 SiO 3 ‘e 

dönüşmesi. 

Her iki prosesin çok aşamalı olması. 

17 

SBH’nın maliyetinin çok yüksek olması: 50- 

60 ABD $/kg.

SBH ÜRETİCİLERİ: 


- ABD (Rohm&Hass Company, Chemical 

Spesiality Busines); 

- Finlandiya (Fine Chemicals, Pulp Chemicals, 

Kemira Pulp&Paper); 

- Hollanda (Rohm&Hass Company); 

- Rusya (Aviabor). 

• Dünya çapında sadece ‘Schlesinger’ yöntemi ile 

20.000 ton/yıl SBH üretilmektedir. 

18


SBH’nin Sentezi, Hidrolizi ve Kullanımı ile ilgili 

GYTE’de Yapılmış Çalışmalar: 

• Çalışmalarımız, doğrudan borakstan sodyum 

metali kullanmaksızın, tek kademeli yeni ve daha 

ekonomik SBH sentez sürecini amaçlamaktadır. 

• Ayrıca SBH’nin su ile hidrolizi için etkili ve pahalı 

olmayan heterojen ve homojen katalizörler 

geliştirilmiş ve yakıt pillerinde uygulanmasının ön 

hazırlıkları başlamıştır. 

19


• SBH sentezi prosesinde hammadde olarak 

Boraksın NaBO 2 ile birlikte kullanılması yöntemi 

geliştirilmiştir. 

• Prosesin Pilot Ölçek ve Sanayi çapında 

uygulanması için teknolojiler geliştirilmiştir. 

• SBH sentez reaktörünün iç dizaynı geliştirilmiştir. 

• Daha etkili SBH hidrolizi katalizörleri 


20


SBH TEK KADEMELİ YENİ ÜRETİM 

YÖNTEMİ: 

Na 2 B 4 O 7 (veya Na 2 B 4 O 7 + NaBO 2 ) + M(metal) + 

MOH(metal hidroksit) + H 2 + Katalizör 

NaBH 4 + MO(metal oksit) + Katalizör 

 

21


Mevcut yöntemlere göre yeni prosesin 

üstünlükleri 

Pahalı Na metalinin kullanılmaması; 

Prosesin tek kademeli olması; 

Proseste kullanılan tüm girdilerin pahalı 

olmaması ve yerli üretilmesi; 

Elde edilen saf SBH üretim maliyetinin düşük 

olması(10-15 ABD $/kg). 

22

İncelenen Parametreler 


- Tepkime sıcaklığının 

- Hidrojen basıncının 

- Tepkime süresinin 

- Girdilerin mol oranlarının 

SBH verimliliğine ve saflığına etkisi geniş 

araştırılarak prosesin optimal koşulları ve 

göstergeleri belirlenmiştir. 

23


GYTE ‘de kurulu laboratuar ölçek SBH üretim deney 

sistemi (V reaktör = 1000 mL) 

24


Tepkime sıcaklığı ve süresinin 

SBH verimliliğine etkisi 

(P H2 =40 bar). 

Sıcaklık ve hidrojen 

basıncının SBH verimliliğine 

etkisi (T=550 o C). 

25

PROSESİN OPTİMUM TEKNOLOJİK 


PARAMETRELERİ ve GÖSTERGELERİ 

Proses sıcaklığı : 550-560 o C 

Tepkime süresi : 4-6 saat 

Hidrojen basıncı : 40-50 bar 

SBH verimliliği : % 85-90 

SBH saflığı : % 98-100. 

26


SBH Saflığının XRD Analizi 

27


YENİ SBH ÜRETİM 

PROSESİ DÖRT ESAS 

BÖLÜMDEN 

OLUŞMAKTADIR: 

‣Tepkimeye girecek katı 

girdilerin öğütülmesi ve 

homojenizasyonu 

‣SBH’nın sentezi 

‣SBH’nın tepkime 

ürünlerinden çözücü ile 

ekstraksiya edilmesi 

‣Saf kristallik SBH’nın 

çözücüden ayrılması ve 

çözücünün geri kazanımı 

28

PİLOT ÖLÇEK 


• Geliştirilen SBH üretim yönteminin, ülke 

sanayisinde uygulanmasından önce, onun en 

yakın zamanda Pilot Ölçek çapında denemesi 

planlanmaktadır. 

• Saf ürüne göre 10 kg/gün kapasiteli Pilot 

Ölçek sisteminin dizaynı ve tasarlanması 

tamamlanmıştır. 

29

SBH’nın HİDROLİZİ KATALİZÖRÜNÜN 

GELİŞTİRİLMESİ 


30 

• SBH su ile hidroliziyle hidrojen elde edilmesi için 

çeşitli homojen ve heterojen katalizörler 


• Homojen katalizörler esasen değişik organik ve/veya 

anorganik asitlerin ve bazı metal tuzlarının sulu 

çözeltilerinin temelinde hazırlanmıştır. 

• SBH’nın çeşitli askeri ve sivil alanlarda 

kullanılabilmesi amacıyla – 40 o 

C’ye kadar 

çalışabilen etkili homojen katalizörler geliştirilmiştir.

Heterojen Katalizör Sentezi 


Oksitler: Al 2 O 3 , SiO 2 vs. 

Doğal zeolitler (klinoptilolit vs.) 

• Katalizörler, esasen taşıyıcıların metal tuzları 

çözeltileri ile çeşitli yöntemlerle adsorplanması ile 

hazırlanmıştır. Aktif metaller olarak bu amaçla 

kullanılan mevcut pahalı Pt, Ru yerine Ni, Co vs. gibi 

ucuz metaller veya onların çeşitli karışımları 

kullanılmıştır. 

31

SBH’dan HİDROJEN ELDE EDİLMESİ VE YAKIT 

PİLLERİNDE UYGULANMASI 


• SBH bir hidrojen depolayıcısı olarak yakıt pillerinde, 

özellikle de PEM’lerde etkili bir şekilde uygulanması 

için, onun homojen veya heterojen katalizörler 

kullanımı ile hidroliz olunmasının aşağıdaki değişik 

teknolojik prensipleri incelenmiş ve en uygun 

yöntemler belirlenmiştir. 

32

1) Sıvı katalizörün katı NaBH 4 

üzerine aktarılması 

2) 

Sıvı katalizörün NaBH 4 

çözeltisi 



3) NaBH 4 

çözeltisinin sıvı katalizör 4) NaBH 4 

çözeltisinin katı katalizör 



33


• Görüldüğü gibi, 1 ve 2’nci versiyonlarda SBH’nın 

çözeltideki derişimi gittikçe azalabilmekte ve bu 

nedenle elde edilen hidrojen miktarı ve ona bağlı 

olarak da yakıt pillerinde oluşan elektrik enerjisi 

oranı düşebilmektedir. 

• Başka değimle, sistem sabit çalışmamakta ve 

istenilen anda durdurulamamaktadır (yani ’’on 

demand’’ olarak çalışmamaktadır). 

34 

• 3 ve 4’cü versiyonlar ise daha sabit çalışabilmekte 

ve aşağıdaki üstünlüklere sahip olmaktadır:


SBH’nın çözeltideki derişiminin sabit olması 

Üretilen hidrojen miktarının sabit olması ve ’’on 

demand’’ olarak elde edilebilmesi 

Yakıt pillerinde elde edilen elektrik enerjisinin 

sabit olması 

Sistemin tehlikesiz ve istikrarlı çalışabilmesi 

35


36 

SBH’nın askeri alanlarda kullanımı ile ilgili 

GYTE’ de yapılan bazı çalışmalar: 

• SBH’nın İnsansız Hava Araçlarında hidrojen depolayıcı 

yakıt olarak kullanımı üzerine çalışmalar sürmektedir. 

• Askeri amaçlar için, SBH – PEM yakıt pili sistemi ile 

çalışabilen kartuş tipi taşınabilir güç kaynağı 

geliştirilmektedir. Sisteminin hiçbir elektronik-elektrik 

aksam kullanmaksızın yapılması hedeflenmektedir. 

• Ayrıca, yakın zamanda lazer ve plazma yöntemleri ile 

askeri amaçlarda kullanılmak üzere, Bor Nitrür 

nanotüplerin, Bor Karbürün vb. önemli bor ürünlerinin 

sentezi ile bağlı çalışmaların yapılması da 

planlanmaktadır.


37

Borlu YakÄ±tlar ve YakÄ±t Pilleri, Prof.Dr.Ali ATA

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?