Assessing gas separation performances of COF membranes, COF/polymer MMMs, and dual filler-incorporated polymer membranes via high-throughput computational screening

Yüzlerce kovalent organic gözenekli yapı (COF) sentezlenmiştir ve binlercesi de hesapsal olarak tasarlanmıştır. Ancak her materyali, gaz ayırma işlemi için membran olarak deneysel bir şekilde test etmek pratik değildir. Bu çalışmada, deneysel olarak sentezlenmiş COF'ların ve hipotetik COF'ların (hypoCOF) membran-temelli gaz ayırma performanslarına odaklanılmıştır. COF'ların gaz geçirgenlikleri, Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) ve Moleküler Dinamik (MD) simülasyonlarının birleştirilmesiyle hesaplanmıştır ve birçok COF membranın, He/H2, N2/CH4, H2/N2, He/CH4, H2/CH4, and He/N2 ayırma işlemi için polimerik membranların üst limitini geçebildiği bulunmuştur. Sonrasında, gaz ayırma işlemi için üst limitin üzerinde kalan COF membranların yapı-performans ilişkileri incelenmiştir ve bu ilişkiler baz alınarak büyük veritabanından en iyi hypoCOF'ların seçimi için etkin bir yaklaşım sunulmuştur. Moleküler simülasyonlar, 120 hypoCOF'un umut vaat edici olduğunu ve He/CH4, He/N2, H2/CH4, H2/N2 ayırma işlemi için üst limiti geçtiğini göstermiştir. Hem COF'lar hem de hypoCOF'lar, dolgu olarak 25 polimerde çalışılmıştır ve bugüne kadar araştırılan en fazla sayıda COF-bazlı karışık yataklı membranları (MMM) temsil eden, toplam 29,020 COF/polimer ve hypoCOF/polimer MMM'ler araştırılmıştır. COF/polimer MMM'lerin geçirgenlikleri ve seçicilikleri altı farklı gaz ayırma işlemi için hesaplanmıştır ve sonuçlar, COF'lar dolgu olarak kullanıldığında 25 polimerden 18'inin üst limitin üzerine çıktığını göstermiştir. Tezin ikinci kısmında, gaz ayırma işlemleri için polimer membranlarda çift dolgu malzemesi olarak kullanılacak en iyi performans gösteren MOF-COF çiftlerini belirlemek adına hesaplama yöntemleri geliştirilmiştir. Endüstriyel olarak önemli olan beş gaz ayırma işlemi için, CO2/N2, CO2/CH4, H2/N2, H2/CH4, H2/CO2, düşük seçicilikten dolayı üst limitin altında kalan COF/polimer MMM'lere odaklanılmıştır. Sonuçlar, PTMSP gibi görece yüksek gaz geçirgenliği (≥104 Barrer) fakat az seçiciliği (≤2.5) olan polimerler için MOF'un ikinci dolgu olarak eklenmesinin MMM'in son geçirgenliği ve seçiciliği üzerinde çarpıcı bir etkisi olduğunu göstermiştir. Dolguların yapısal ve kimyasal özelliklerin oluşturulan MMM'lerin geçirgenliği üzerindeki etkisini anlamak için MOF ve COF'ların yapı-performans ilişkisi analiz edilmiştir ve Zn, Cu, ve Cd metaline sahip olan MOF'ların MMM'lerin geçirgenliğinde en yüksek artışa neden olduğu bulunmuştur. Bu tezdeki yöntemler, gelecekteki hesaplama çalışmalarında COF'lar ve hypoCOF'lar hakkında bilgi sağlayacak ve çift dolgulu polimer membranlarda kullanılabilecek umut vaat eden MOF-COF çiftlerinin bulunmasını sağlayacaktır.