Gas adsorption and diffusion in porous coordination networks: A computational study

Adsorbent ve membranlar enerji verimlilikli kimyasal ayırma işlemlerinde önemli rol oynarlar. Son yıllardaki yüksek enerji maliyetleri, adsorpsiyon ve membran temelli gaz ayırma uygulamalarını diğer ayırma metotlarına oranla ekonomik olarak daha cazip hale getirdi. Adsorpsiyon temelli ayırım işlemleri için yüksek seçiciliğe ve çalışma kapasitesine sahip adsorbentler kullanılmalıdır. Büyük ölçekli membran temelli gaz ayırma işlemlerinin maliyetini düşürmek için ise yüksek seçicilik ve yüksek gaz geçirgenliğine sahip membranlar gereklidir. İstenilen özelliklere sahip ideal adsorbentleri ve membranları geliştirmek hem endüstri hem de akademi için pek çok bilimsel çalışmanın ana odağı olmuştur. Gözenekli koordinasyon ağları (PCNler), metal organik bileşiklerle organik bağlayıcıların birleşiminden oluşan kalıcı gözeneklere sahip yeni bir tür kristal nano-gözenekli malzemelerdir. Ayarlanabilir gözenek boyutu, yüksek yüzey alanı, yüksek gözeneklilik, iyi kimyasal ve mekanik dayanıklılık gibi özellikler bu malzemeleri gaz depolama, kataliz ve gaz ayırma gibi uygulamalar için cazip hale getirmektedir. Sentez sırasında, metal iyonlar ve organik bağlayıcıların farklı kombinasyonlarda bir araya getirilerek pek çok yeni PCN geliştirilebilir. Günümüzde sentezlenen pek çok PCN olmasına rağmen, bu malzemelerin adsorpsiyon ve membran temelli gaz ayırma uygulamaları için potansiyel performansları detaylı bir şekilde çalışılmamıştır. Literatürde, PCN'lerin gözeneklerinin gaz iletme özelliklerinin de incelenmesini gerektiren membran temelli gaz ayrımı performanslarını inceleyen çalışmalar bulunmamaktadır. Bu tezde, endüstriyel açıdan önemli olan CH4/H2, CO2/CH4, CO2/H2, CO2/N2 ve O2/N2 gaz karışımları için, pek çok PCN'lerin adsorpsiyon ve membran temelli ayırma performansları atomistik simülasyonlar kullanılarak araştırıldı. Malzemelerin adsorpsiyon ve membran temelli ayırma performanslarını değerlendirmek için, adsorpsiyon seçiciliği, çalışma kapasitesi, yenilenebilirlik, adsorbent seçme parametresi, difüzyon seçiciliği, membran seçiciliği ve gaz geçirgenliği gibi pek çok önemli parametre çalışılan tüm malzemeler ve gaz karışımları için hesaplandı. PCN'lerin performansları iyi bilinen diğer nano-gözenekli malzemelerle karşılaştırıldı. PCN kafesindeki atomlara kısmi elektrik yükü atayan iki farklı yük atama metodunun, yapılan analizlere olan etkisi incelendi. Adsorpsiyon, difüzyon ve membran seçiciliğini tahmin eden basit modeller geliştirildi. Ek olarak, O2'yi N2'den ayırmak için PCN dolgulu hibrit membranların performansları, moleküler simülasyonlar kullanılarak incelendi. Özetle, bu çalışmada PCN'lerin adsorpsiyon ve membran temelli gaz ayırma performansları moleküler simülasyonlar uygulanarak incelendi. Bulunan sonuçlar, PCN'lerin adsorbent ve membran olarak gaz ayırma uygulamalarında yüksek potansiyel taşıdığını göstermektedir. Ayrıca, bu çalışmada adsorpsiyon, difüzyon ve membran seçiciliklerini tahmin eden basit modeller geliştirildi. Bu modeller gaz ayırma uygulamaları için ideal PCN adaylarının hızlı taraması yapılırken kullanılabilir. Böylece süre, kaynak ve çalışmalar ideal malzemelerin deneysel olarak daha detaylı incelenmesi için kullanılabilir.