Geri Dön

Combining ionic liquids with metal organic frameworks for CO2capture and separation applications

Başlık çevirisi mevcut değil.

PDF İndir

  1. Tez No: 728836
  2. Yazar: MUHAMMAD ZEESHAN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ALPER UZUN, PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 290

Özet

Enerji üretimi için fosil yakıtlara artan küresel bağımlılık, atmosfere rekor düzeyde CO2 emisyonu ile sonuçlanmakta, bu da küresel ısınma ve iklim değişikliği nedeniyle çevresel felaketlere neden olmaktadır. Bu nedenle, geleneksel fosil yakıtlara alternatif enerji kaynaklarına olan talep giderek artmaktadır. Doğal gaz (CH4) gelecek vaat eden nispeten temiz enerji kaynaklarından biridir; bununla birlikte, ısıtma değerini azaltan ve gaz akımlarını asitlendiren CO2 gibi istenmeyen safsızlıklar içerir. Bu nedenle, CO2'yi doğal gaz ve baca gazı akışlarından seçici ve verimli bir şekilde yakalamak ve ayırmak istenmektedir. Bu bağlamda, gaz yakalama ve ayırma uygulamaları için yüksek spesifik yüzey alanları, yüksek termal dayanıklılıkları ve büyük gözenek hacimleri sunan çeşitli nanogözenekli malzemeler incelenmiştir. Fakat, mikro gözenekli yapıların karmaşık mimarisinin sentezi için karmaşık sentez prosedürleri gerekmektedir. Alternatif bir yaklaşım, basit bir sentez sonrası modifikasyon stratejisi kullanarak farklı fizikokimyasal özelliklere sahip iki veya daha fazla malzemeyi birleştirerek kompozit malzemeler tasarlamaktır. Bu tezde, sentez sonrası modifikasyon tekniği kullanılarak metal organik çerçeveler (MOF'lar) içerisine iyonik sıvılar (IL'ler) yerleştirilmiş, elde edilen ve bileşenlerinden farklı fizikokimyasal özelliklere sahip olan IL bazlı MOF adsorban malzemelerinin gaz yakalama ve ayırma performansı araştırılmıştır. Bu yaklaşım, gazların tutunması için yeni adsorpsiyon bölgeleri oluşmasını ve gas moleküllerinin difüzyonu için alternatif rotalar belirlenmesini sağlayabilir. Bu tezin ilk bölümünde, IL'lerin yapısal özelliklerinin IL-MOF etkileşimleri üzerindeki etkisi ve ilgili moleküler etkileşimlerin IL bazlı MOF kompozitlerinin CO2 yakalama performansı üzerindeki etkisi ayrıntılı olarak tartışılmaktadır. Örneğin, 1-n-butil-3-metilimidazolyum tiyosiyanat ([BMIM][SCN])-eklenmesiyle zeolitik imidazolat çerçeveli yapının (ZIF-8), düşük basınçtaki ideal CO2/CH4 ve CO2/N2 seçiciliği sırasıyla 2.6 kat ve 4 kat artmıştır. Benzer şekilde, florlu anyon olan imidazolyum bazlı ILin ZIF-8'e eklenmesiyle ZIF-8'in CO2/CH4 seçiciliği üç kat artmıştır. Öte yandan, küçük anyonlu bir IL ZIF-8'e dahil edildiğinde, nihai IL/ZIF-8 kompozitinin ideal CH4/N2 seçiciliği daha büyük anyonu olan bir IL/ZIF-8 kompozitinin seçiciliğine kıyasla yaklaşık iki kat fazla olmuştur. Neredeyse sonsuz sayıda ve çeşitte IL ve MOF olduğu göz önüne alındığında, hibrit IL/MOF kompozitinin rasyonel tasarımı için gerekli IL-MOF konfigürasyonunun belirlenmesi zordur. Bu nedenle, herhangi bir gaz karışımını olağanüstü performans ile ayırabilecek bir kompozit malzeme ile sonuçlanacak en iyi IL ve MOF adaylarını bulmak için sistematik bir metodoloji ve mantık yaklaşımı geliştirmek son derece gereklidir. Bu nedenle, IL-MOF konfigürasyonunu sistematik bir şekilde seçmek için, COSMO-RS hesaplamaları, yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) modellemesi ve Grand Kanonik Monte Carlo (GCMC) simulasyonları gibi üç güçlü hesaplama aracını birleştirerek entegre bir hesaplamalı-deneysel hiyerarşik yaklaşım geliştirdik. Ardından, en iyi tahmin edilen IL/MOF kompoziti sentezlendi ve gaz adsorpsiyon testleri yapıldı. Sonuçlarımız, IL/UiO-66 kompozitinin ideal CO2/N2 seçiciliğinin düşük basınçta 33.8'den neredeyse sonsuz seçiciliğe (>100000) yükseldiğini gösterdi. IL'lerin MOF'lara dahil edilmesi, gaz yakalama ve ayırma performansını iyileştirse de, IL moleküllerinin MOF gözeneklerini kısmen işgal etmesi mevcut gözenek hacmini azaltır, bu da daha az miktarda gaz tutunmasına neden olabilir. Bu tezin ikinci bölümünde, çekirdeğin (MOF) dış yüzeyinde IL (kabuk) birikimi sağlanarak çekirdek-kabuk tipi IL/MOF olarak bilinen yeni bir kompozit malzeme tanıtıldı. Bu durumda, IL katmanı, gaz moleküllerini boş halde bulunan MOF gözeneklerine seçici olarak taşıyan akıllı bir kapı görevi görmektedir. Ortaya çıkan çekirdek-kabuk tipi IL/MOF kompoziti, 5.7 kat daha iyi CO2 tutunumu göstermiştir. Ayrıca, düşük basınçtaki ideal CO2/CH4 seçiciliği 45 kat iyileştirilmiştir, bu sonuç çeşitli sentez sonrası modifikasyon teknikleri kullanılarak hazırlanan diğer MOF'lar içinde görülen en yüksek ilerlemedir. Son olarak, bu tezin son bölümünde, katyona eklenen fonksiyonel gruplar, katyonun alkil zincir uzunluğunun arttırılması, katyonun C2 pozisyonunun metilasyonu gibi IL'lerin yapısal faktörlerindeki değişikliklerin ve anyon türü, elektronik ortamı ve boyutunun IL/MOF kompozitlerinin bozunma sıcaklıklarını nasıl etkilediği tartışılmıştır. Ayrıca, IL/MOF kompozitlerinin ayrışma sıcaklıklarını yeterince doğru düzeyde tahmin edebilen matematiksel bir ifade elde etmek için yoğunluk fonksiyonel teori hesaplamalarıyla IL'in yığınsal hali için belirlenen yapısal tanımlayıcılar kullanılarak nicel yapı-özellik ilişkisi (QSPR) analizi yapılmıştır.

Özet (Çeviri)

Growing global reliance on fossil fuels for energy production has resulted in record-high emissions of CO2 into the atmosphere, causing environmental disasters due to global warming and climate change. Thus, the demand for energy resources alternatives to traditional fossil fuels is ever-increasing. Natural gas (CH4) is one of the promising and relatively clean energy source; however, it contains undesirable impurities such as CO2, which reduces the overall heating value and acidifies the gas streams. Therefore, it is highly desirable to selectively and efficiently capture and separate CO2 from natural gas and flue gas streams. In this regard, numerous nanoporous materials with high specific surface areas, high thermal stabilities, and large overall pore volumes have been studied for gas capture and separations applications. However, the synthesis of the sophisticated architecture of microporous structures requires complex synthesis procedures. An alternative approach is to design composite materials by combining two or more materials with different physicochemical properties by using a simple post-synthesis modification strategy. In this dissertation, ionic liquids (ILs) are combined with metal organic frameworks (MOFs) by a post-synthesis modification technique to tune the physicochemical properties of pristine MOFs and investigate the gas capture and separation performance of the corresponding IL-based MOF adsorbent materials. This approach offers the opportunity to introduce new adsorption sites and promotes molecular diffusion paths for the guest molecules. In the first part of this dissertation, influence of ILs' structural factors on the IL-MOF interactions, and consequently the impact of the corresponding molecular interactions on the CO2 capture performance of IL-based MOF composites are discussed in detail. For instance, 1-n-butyl-3-methylimidazolium thiocyanate ([BMIM][SCN])-incorporated zeolitic imidazolate framework (ZIF-8) showed 2.6- and four-times higher ideal CO2/CH4 and CO2/N2 selectivity at low-pressure. Similarly, when imidazolium-based IL with a fluorinated anion was incorporated into ZIF-8, the CO2/CH4 selectivity improved by three-times. On the other hand, when an IL with a small anion was incorporated into ZIF-8, ideal CH4/N2 selectivity of the resulting IL/ZIF-8 composite improved approximately two-times when compared to IL/ZIF-8 composite having a relatively bulky anion. Considering the existence of nearly infinite numbers and variety of ILs and MOFs, the selection of IL-MOF configuration for the rational design of hybrid IL/MOF composite is challenging. Thus, it is highly required to develop a systematic methodology and rationale approach to find the best IL and MOF candidates, which will ultimately result in a composite material with extraordinary performance for any targeted application. Therefore, we developed an integrated computational-experimental hierarchical approach by combining three powerful computational tools i.e., Conductor-like screening model for realistic solvents (COSMO-RS) calculations, density functional theory (DFT) modeling, and grand canonical Monte Carlo (GCMC) simulations to select IL-MOF configuration in a systematic manner. Subsequently, the best predicted IL/MOF composite was synthesized, and gas adsorption tests were performed. Our results showed that ideal CO2/N2 selectivity of IL/UiO-66 composite increased from 33.8 to almost infinite selectivity (>100000) in the low-pressure region. Although, incorporating ILs into MOFs improves gas capture and separation performance, partial occupation of ILs molecules in MOF pores reduces the available pore volume, resulting in lower overall gas uptake. In the second part of this dissertation, a new concept known as core-shell type IL/MOF composite was introduced by depositing IL (shell) on the outside surface of the core (MOF). In this case, the IL layer acts as a smart gate, selectively transporting adsorbate molecules through the IL layer into MOF pores, which are completely available for the guest molecules. The resulting core-shell type IL/MOF composite exhibited 5.7-times improved CO2 uptake. Furthermore, ideal CO2/CH4 selectivity improved by 45-times at low pressure, which is the highest level of improvement among other MOFs prepared using various post-synthesis modification techniques. Finally, in the last part of this dissertation, the impact of changes in structural factors of ILs such as the functionalization of the cation, increasing the alkyl chain length of cation, methylation at the C2 position of cation, and type, electronic environment, and size of the anion on the decomposition temperatures of IL/MOF composites are discussed. Moreover, quantitative structure-property relationship (QSPR) analysis were made using bulk ILs structural descriptors determined by DFT calculations to obtain a mathematical expression which can satisfactorily predict the decomposition temperatures of IL/MOF composites.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    771350

    Composites of porous materials with ionic liquids: Synthesis, characterization, and selective gas sorption applications

    Porlu materyallerin iyonik sıvılarla kompozitleri: Sentez, karakterizasyon ve seçici gaz ayırma uygulamaları

    ÖZCE DURAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Kimya MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPER UZUN

    PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI

  2. Tez No

    593231

    Experimental investigation of ionic liquid−incorporated MIL-53(Al) composites for environmental applications: gas separation and water purification

    İyonik sıvı katkılı MIL-53(Al) kompozitlerinin çevresel uygulamalar için deneysel Olarak İncelenmesi: Gaz ayırma ve su arıtma

    SAFİYYE KAVAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    EnerjiKoç Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALPER UZUN

    PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI

  3. Tez No

    591543

    Ionic liquid/MOF composites for CO2 separation: combining molecular simulations and experiments

    Co2 ayirma için i̇yonik sivi/MOF kompozitleri: moleküler simülasyonlar ile deneylerin birleştirilmesi

    HÜSAMETTİN MERT POLAT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    KimyaKoç Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI

    DOÇ. DR. ALPER UZUN

  4. Tez No

    879970

    Combining molecular simulations and machine learning to unlock gas separation performances of MOFs and MOF-based composites

    MOFlarin ve MOF temelli kompozitlerin gaz ayırma performanslarının açığa çıkarılmasi amacıyla moleküler simülasyon ve makine öğrenmesinin birleştirilmesi

    HİLAL DAĞLAR HARMAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Kimya MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI

  5. Tez No

    367669

    Elucidation of structural factors controlling thermal stability of bulk and metal-oxide supported phosphonium ıonic liquids

    Saf ve metal-oksit destekli fosfonyum i̇yonik sivilarinin isil kararliliklarini kontrol eden yapisal faktörlerin aydinlatilmasi

    VOLKAN BALCİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Kimya MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ALPER UZUN

Geri Dön