Computational and experimental investigation of CH4 adsorption in pure and ionic liquid incorporated metal organic frameworks

Doğal gaz bol bulunan ve diğer fosil yakıtlara göre daha temiz yanan düşük karbonlu bir enerji kaynağıdır. Doğal gazın pratikte kullanılabilmesi için yüksek yoğunlukta depolanmasını sağlayacak yöntemler bulunması gerekmektedir. Hali hazırda doğal gaz sıkıştırılmış doğal gaz (CNG) ya da sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG) olarak depolanmaktadır. Bu iki yöntem de hem ekonomik açıdan hem de güvenlik açısından elverişli değildir. Yakın zamanda, adsorbe olmuş doğal gaz (ANG) güvenli ve verimli bir alternatif depolama yöntemi olarak ilgi görmüştür. ANG yönteminin uygulanabilmesi için özel olarak tasarlanmış yüksek kapasiteli adsorban malzemelere ihtiyaç vardır. Metal organik kafesli yapılar (MOFlar) organik bağlayıcılar ve metal kümelerden oluşmuş gözenekli kristal malzemelerdir. MOFlar adsorban olarak kullanılmak için önemli olan yüksek yüzey alanı, bol gözenek hacmi, düşük yoğunluk gibi yapısal özelliklerin yanı sıra yüksek termal ve mekanik dayanıklılığa da sahiptirler. Bu tezin ilk kısmında MOFların doğal gazın büyük bölümünü oluşturan CH4 gazını depolama performanslarını belirlemek amacıyla grand canonical Monte Carlo (GCMC) simülasyonları yapılmıştır. 1500'ün üzerinde farklı MOFun yapısal/kimyasal özellikleri hesaplanmış ve bu özelliklerden yararlanılarak MOFların CH4 depolama miktarlarını tahmin eden çok değişkenli doğrusal denklemler çıkarılmıştır. Ayrıca, MOFların yüksek CH4 depolamasını sağlayan yapısal/kimyasal özellikler belirlenmiş bu özellikler için ideal aralıklar tanımlanmıştır. Tezin ikinci kısmında CH4 depolama uygulamaları için en ümit verici MOFlardan biri olan HKUST-1 (ticari ismi Basolite C300) deneysel olarak karakterize edilmiş ve yüksek basınçta CH4, CO2, N2 ve H2 gazlarının adsorpsiyon miktarları ölçülmüştür. Gaz depolama ve ayırma özelliklerinin iyileştirilmesi için Basolite C300'ün yapısına yaygın olarak kullanılan iyonik sıvılardan (İS) biri olan1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([BMIM][BF4]) dahil edilmiştir. Deney sonuçlarınca İS-içerikli MOFların gaz depolama özelliklerinin normal MOFlara göre değişiklik gösterdiği saptanmıştır. İS-içerikli MOFların çalışılan gazlar arasında en çok CH4'e karşı yatkınlığı artmıştır fakat yüksek basınçlardaki gaz depolama kapasitelerinde düşüş gözlemlenmiştir. Sonuç olarak İS-içerikli MOFlar çeşitli gaz depolama ve gaz ayırma uygulamalarında kullanılmak üzere yüksek potansiyele sahip yeni bir adsorban çeşidi olarak tanımlanmışlardır.