Computational investigations of metal organic frameworks and covalent organic frameworks for gas storage and gas separation applications

Metal organik yapılar (MOF), zeolit imidazolat yapılar (ZIF) ve kovalent organik yapılar (COF) dahil olmak üzere kristal mikro gözenekli malzemeler, geniş yüzey alanları, yüksek gözenek hacimleri, ayarlanabilir gözenekleri boyutları ve kimyasal stabiliteleri nedeniyle gaz depolama ve gaz ayırma uygulamaları için güçlü adaylar olarak ortaya çıkmıştır. Bu tezde, moleküler simülasyonlar kullanarak çeşitli adsorpsiyon-bazlı ve membran-bazlı gaz ayırma uygulamaları için yüksek performans veren MOF, ZIF ve COF yapıları tanımlanmıştır. İlk olarak, 153 COF, 14 IRMOF ve 8 ZIF yapılarının adsorpsiyon-bazlı havadan karbon tetraklorürün (CCl4) ayırma performansları incelenmiştir. Her gruptan en iyi performans gösteren üç adsorban materyal (BLP-2H-AA, IRMOF-11 ve ZIF-6) belirlenmiştir. İlk üç aday arasında, ZIF-6 en yüksek ayırma potansiyelini vermiştir ve bu da ZIF-6'nın sabit yataklı birimlerde etkin bir adsorban malzeme olarak kullanılabileceğini göstermiştir. Tezin ikinci bölümünde, sentezlenen 309 COF yapıları çeşitli sıcaklıklarda ve basınçlarda hidrojen (H2) depolanması için değerlendirilmiştir. Elektrostatik etkileşimlerin ve Feynman-Hibbs düzeltmelerinin COF adsorbanlarının sıralaması üzerindeki etkileri de incelenmiş ve sonuçlar, Coulombic etkileşimlerinin ve Feynman-Hibbs düzeltmelerinin çalışma kapasitelerine göre COF adsorbanlarının sıralamasını etkilemediğini göstermiştir. 296 COF arasında, COF-DL229-3 H2 depolaması için Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı (DOE) hedeflerini geçerek yüksek performans göstermiştir. Yüksek gözenekliliğe (≥0.8) ve düşük yoğunluğa (0.2-0.4 g/cm3) sahip COF yapıları hacimsel H2 depolaması için ümit verici performans sergilemiştir. Bu tezin son bölümünde, endojen bağlayıcılara ve toksin olmayan metal merkezlerine sahip 1525 biyo-uyumlu MOF kütüphanesi oluşturulmuştur. Oksijen (O2) depolanması ve havadan ayrılması biyo-MOF yapıları kullanılarak incelenmiştir. Bu tezde kullanılan yöntemler, çeşitli endüstriyel uygulamalar için hem deneysel hem de bilgisayarlı çalışmalara gözenekli malzemelerin geliştirilmesi için rehberdir.