Geri Dön

High-throughput computational screening of MOFs for carbon dioxide capture and hydrogen purification

Karbon dioksit yakalama ve hidrojen saflaştırma süreçlerinde kullanılmak üzere metal-organik gözenekli yapıların gaz ayırma performanslarının kapsamlı hesaplamalı taraması

PDF İndir

  1. Tez No: 742900
  2. Yazar: GÖKAY AVCI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 163

Özet

Metal-organik gözenekli yapılar (metal organic framework, MOF) organik ve inorganik yapıtaşlarından oluşan yeni bir gözenekli malzeme sınıfıdır. Her geçen yıl yeni sentezlenmiş MOFların sayısı artmaktadır ve her bir yeni MOFun adsorbent ve membran özelliklerini deneysel yöntemler kullanarak ölçmek pratik olmamaktadır. Bu sebeple, binlerce MOF içerisinden yüksek performanslı MOFların ve özelliklerinin saptanması için hesaplamalı bilimlere dayalı bir yöntem geliştirilmesi elzemdir. Bu tezde, moleküler modellemeye dayanan hesaplamalı tarama yöntemleri kullanılarak MOFların adsorbent ve membran olarak CO2/H2 ayırma potansiyelleri incelenmiştir. Tezin ilk kısmında, moleküler modelleme teknikleri kullanılarak 3857 farklı yapıdaki MOFun CO2/H2 adsorpsiyon- ve membran-temelli ayırma potansiyelleri incelenmiştir. Sonuçlar 3857 MOFun CO2 seçici adsorbent özelliğinde olduğunu, 899 MOFun ise H2 seçici membran olarak polimer membranlardan daha iyi performans verebildiğini göstermiştir. MOF membranların H2/CO2 seçicilikleri ve H2 geçirgenlikleri sırasıyla 2.1×10−5-6.3 ve 2.30-1.7×106 Barrer arasında hesaplanmıştır. MOFların yapı-performans ilişkileri gözenekleri 7.5 Å'dan küçük olan MOFların CO2 seçici adsorbent olarak, gözeneği 15 Å'dan büyük olan MOFların ise H2 seçici membran olarak iyi performans verebildiğini göstermiştir. Tezin ikinci kısmında, en güncel MOF veri tabanındaki 10221 MOF ayıklanmış, Grand Kanonik Monte Carlo (GCMC) ve Denge Halindeki Molekül Dinamikleri (EMD) tekniklerinden elde edilen sonuçlar ile MOFların CO2/H2 ayrımında kullanılmak üzere adsorbent ve membran performansları hesaplanmıştır. Sıcaklık ve basınç değişimli sistemlerde İdeal Adsorblanmış Solüsyon Teorisi'nin (Ideal Adsorbed Solution Theory, IAST) MOFlara uygulanabilirliği, ulaşılamayan gözeneklerin ve örgülü yapıların, ayrıca gaz karışımındaki safsızlıkların (CO, CH4 ve H2O) MOFların seçiciliğine, çalışma kapasitesine ve yenilenebilirliğine etkisi incelenmiştir. Yeni sentezlenmiş ve veri tabanına eklenmiş MOFların önceki MOFlara kıyasla daha yüksek CO2 seçiciliği ve çalışma kapasitesine sahip olduğu gösterilmiştir. Tezin üçüncü kısmında, bilgisayar ortamında tasarlama teknikleri ile MOFların metalleri değiştirilerek yeni MOFlar tasarlanmış, CO2/H2 ve CO2/CH4 ayırma potansiyelleri incelenmiştir. Simülasyonlardan elde ettiğimiz sonuçlar MOFların metal tipinin CO2/H2 seçiciliğini etkilediğini göstermiştir. Literatürde sıkça çalışılmış MOFlardan Cu metaline sahip HKUST-1'in metali Cr ve Cd ile değiştirildiğinde bu MOF'un CO2/H2 seçiciliğinde sırasıyla %11 ve %38 oranlarında artış gözlemlenmiştir. Zn-HIFTOG02'nin metali V ile değiştirildiğinde seçiciliği 119'dan 355'e yükselmiştir. Sonuç olarak, bu tezde sunulan hesaplamalı tarama metotları ile (i) yanma öncesi CO2/H2 ayrımını yüksek performansla gerçekleştirecek MOFların binlerce MOF içerisinden ayıklanabileceği (ii) en yüksek CO2/H2 ayırma performansı veren MOFların yapısal özelliklerinin belirlenebileceği (iii) CO2 yakalama ve H2 saflaştırma performansı yüksek yeni MOFların tasarlanabileceği gösterilmiştir. Bu sonuçların CO2 yakalama ve hapsetme performansı üstün yeni MOFların tasarlanmasını kolaylaştırıcı bir katalizör görevi görmesi beklenmektedir.

Özet (Çeviri)

Metal organic frameworks (MOFs) constitute a novel class of porous materials that are formed by the combination of inorganic nodes and organic linkers. The number of newly synthesized MOFs increases exponentially each year, and it is not feasible to experimentally test the gas separation performances of each MOF adsorbent and membrane. Therefore, a computational approach that can identify the promising MOFs out of thousands of materials is essential. In this thesis, by performing high-throughput computational screening, CO2/H2 separation performances of MOF adsorbents and membranes were investigated in detail, and the top promising MOFs were identified. In the first part of this thesis, molecular simulations were performed to identify adsorption- and membrane-based CO2/H2 separation performances of 3857 unique MOFs. Results showed that all 3857 MOFs were CO2 selective when considered as adsorbents, whereas 899 MOFs overcame the performances of polymeric membranes as H2 selective membranes. H2/CO2 selectivities and H2 permeabilities of MOF membranes varied between 2.1×10−5-6.3 and 2.30-1.7×106 Barrer, respectively. Structure-performance relationships revealed that MOFs with pore size 15 Å were more suitable to be used as H2 selective membranes. In the second part of this thesis, Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) and Equilibrium Molecular Dynamics (EMD) simulations were performed on the updated MOF database to identify adsorption and membrane-based CO2/H2 separation performances of 10221 unique MOFs. The applicability of Ideal Adsorbed Solution Theory to MOFs for CO2/H2 separation at temperature and pressure swing adsorption conditions, and the effects of inaccessible local pores, catenation in the frameworks, and presence of impurities (CO, CH4 and H2O) in gas mixture on the selectivity, working capacity, and regenerability of MOFs were examined. MOFs that are recently synthesized and added to the updated MOF database were shown to have higher CO2/H2 selectivities and working capacities than the previously reported MOFs. In the third part of this thesis, new MOFs were designed by using in-silico metal exchange techniques and CO2/H2 and CO2/CH4 separation performances of these MOFs were studied. Results showed that the type of the metal site affects the CO2/H2 selectivities of MOFs. As a result, CO2/H2 selectivity of a commonly studied MOF in the literature, HKUST-1, was significantly enhanced by 11% and 38% when Cu metal was exchanged with Cr and Cd metals, respectively. The exchange of Zn with V increased the selectivity of HIFTOG02 from 119 to 355. Overall, results showed that high-throughput computational screening techniques introduced in this thesis can be used to (i) shortlist potentially promising MOFs among thousands of MOFs for pre-combustion CO2 capture, (ii) identify the structural properties of the promising MOFs with high CO2/H2 separation performances, (iii) design new MOFs with exceptional CO2 capture and H2 purification properties. The results presented in this thesis will serve as a catalyst for future computational and experimental studies on MOFs which will efficiently capture and sequester CO2.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    640143

    High-throughput computational screening of MOFs for ethane and methane purification

    Etan ve metan saflaştırma süreçlerinde kullanılmak üzere metal-organik gözenekli yapılarin gaz ayırma performansının kapsamlı hesaplamalı taraması

    ÇİĞDEM ALTINTAŞ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Kimya MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI

  2. Tez No

    593251

    High throughput screening of mof membranes and mof/polymer mixed matrix membranes: Best materials for flue gas separation

    Mof membranların ve mof/polimer karışık yataklı membranların yüksek çatılı hesaplaması: Baca gazı ayırımı için en iyi malzemeler

    HİLAL DAĞLAR HARMAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Kimya MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI

  3. Tez No

    541060

    Computational screening of metal-organic frameworks for acetylene and hydrogen separations

    Metal-organik çerçevelerin hesaplamalı taraması asetilen ve hidrojen ayrımı

    AYDA NEMATI VESALI AZAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Kimya MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI

  4. Tez No

    593276

    The impact of force field on the computational screening of MOFs for CO2 separations

    CO2 ayırmaları için metal-organik yapıların bilgisayar destekli taranmasında kuvvet alanının etkisi

    DERYA DOKUR TEMUR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Kimya MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI

  5. Tez No

    520242

    Separation performance of MOF adsorbents and membranes: Effect of charge equilibration methods

    MOF adsorban ve membranlarının ayırma performansları: Yük dengeleme metodlarının etkileri

    ÖZGE KADIOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    KimyaKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SEDA KESKİN AVCI

Geri Dön