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

CO2'nin baca gazı ve doğal gazdan adsorpsiyonu ve ayrılması çevresel ve endüstriyel öneme sahiptir. Metal organik kafesli yapılar (MOF'lar) olağanüstü özellikleri ve özelleştirilebilir kimyaları nedeniyle CO2 adsorpsiyonu ve ayırma işlemleri için ümit verici malzemelerdir. İyonik sıvıların (IL'ler) katılmasıyla MOF'ların sentez sonrası modifikasyonu, MOF'ların gaz adsorpsiyonu ve ayırma performansını arttırmak için yeni bir yaklaşımdır. Bu tezin ilk bölümünde, aynı katyona (1-n-bütil-3-metilimidazol ([BMIM]+)) ve çeşitli anyonlara sahip IL'lerden oluşan IL/CuBTC kompozitlerinin, moleküler simülasyonları için bir hesaplama metodolojisi önerildi. Büyük kanonik Monte Carlo (GCMC) simülasyonları kullanılarak, yedi farklı IL/CuBTC kompozitinin CO2, CH4 ve N2 tutma kapasiteleri tahmin edildi ve bu simülasyonlar için en uygun kuvvet alanını seçmek için deneysel ölçümlerle karşılaştırıldı. Deneyler ve simülasyonlar arasındaki uyumdan yola çıkarak, bu çalışmada ilk kez sentezlenen ve karakterize edilen iki yeni IL/CuBTC kompozitlerin gaz adsorpsiyonunu tahmin etmek için aynı yöntem uygulandı. Moleküler simülasyonlar, bu yaklaşımın farklı IL/CuBTC örneklerine aktarılabilirliğini doğrulayarak yeni sentezlenmiş kompozitlerin deneysel gaz kapasitelerini doğru bir şekilde öngörmüştür. IL/CuBTC kompozitlerinin ikili gaz karışımı ayırma performanslarının ve IL/CuBTC kompozitlerinde gazların difüzyonunun detaylı bir analizi de sağlandı. İkinci bölümde, birinci bölümde önerilen hesaplama metodolojisi, karşılaştırılabilir IL-yüklemesine sahip üç 1-n-bütil-3-metilimidazolyum tetrafloroborat ([BMIM][BF4])/MOF kompozitleri kullanılarak doğrulandı ve bu kompozitlerden birisi bu çalışma için ilk defa sentezlendi ve karakterize edildi. Bu hesaplama metodolojisi daha sonra 1108 farklı [BMIM][BF4]/MOF kompozitin CO2/N2 ikili karışım adsorpsiyon ve ayırma performanslarını tahmin etmek için kullanıldı. Sonuçlar, [BMIM][BF4]/MOF kompozitlerinin büyük çoğunluğunun, CO2 adsorpsiyon ve ayırma performanslarında artış sergilediğini gösterdi. Ayrıca, IL/MOF kompozitlerin performansındaki artışın ardındaki bazı yapısal nedenler sunuldu. Bu tezin sonuçları, IL/MOF kompozitlerinin CO2 adsorpsiyon ve ayrılmasında büyük bir potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Bu sonuçları ve sağlanan metodolojiyi kullanarak, IL/MOF kompozitleri hakkında daha iyi bilgi sahibi olabilmek adına, farklı MOF ve IL ailelerini içeren tarama çalışmaları gerçekleştirilebilir.