Karbon dioksit yakalama ve hidrojen saflaştırma süreçlerinde kullanılmak üzere metal-organik gözenekli yapıların gaz ayırma performanslarının kapsamlı hesaplamalı taraması

Metal-organik gözenekli yapılar (metal organic framework, MOF) organik ve inorganik yapıtaşlarından oluşan yeni bir gözenekli malzeme sınıfıdır. Her geçen yıl yeni sentezlenmiş MOFların sayısı artmaktadır ve her bir yeni MOFun adsorbent ve membran özelliklerini deneysel yöntemler kullanarak ölçmek pratik olmamaktadır. Bu sebeple, binlerce MOF içerisinden yüksek performanslı MOFların ve özelliklerinin saptanması için hesaplamalı bilimlere dayalı bir yöntem geliştirilmesi elzemdir. Bu tezde, moleküler modellemeye dayanan hesaplamalı tarama yöntemleri kullanılarak MOFların adsorbent ve membran olarak CO2/H2 ayırma potansiyelleri incelenmiştir. Tezin ilk kısmında, moleküler modelleme teknikleri kullanılarak 3857 farklı yapıdaki MOFun CO2/H2 adsorpsiyon- ve membran-temelli ayırma potansiyelleri incelenmiştir. Sonuçlar 3857 MOFun CO2 seçici adsorbent özelliğinde olduğunu, 899 MOFun ise H2 seçici membran olarak polimer membranlardan daha iyi performans verebildiğini göstermiştir. MOF membranların H2/CO2 seçicilikleri ve H2 geçirgenlikleri sırasıyla 2.1×10−5-6.3 ve 2.30-1.7×106 Barrer arasında hesaplanmıştır. MOFların yapı-performans ilişkileri gözenekleri 7.5 Å'dan küçük olan MOFların CO2 seçici adsorbent olarak, gözeneği 15 Å'dan büyük olan MOFların ise H2 seçici membran olarak iyi performans verebildiğini göstermiştir. Tezin ikinci kısmında, en güncel MOF veri tabanındaki 10221 MOF ayıklanmış, Grand Kanonik Monte Carlo (GCMC) ve Denge Halindeki Molekül Dinamikleri (EMD) tekniklerinden elde edilen sonuçlar ile MOFların CO2/H2 ayrımında kullanılmak üzere adsorbent ve membran performansları hesaplanmıştır. Sıcaklık ve basınç değişimli sistemlerde İdeal Adsorblanmış Solüsyon Teorisi'nin (Ideal Adsorbed Solution Theory, IAST) MOFlara uygulanabilirliği, ulaşılamayan gözeneklerin ve örgülü yapıların, ayrıca gaz karışımındaki safsızlıkların (CO, CH4 ve H2O) MOFların seçiciliğine, çalışma kapasitesine ve yenilenebilirliğine etkisi incelenmiştir. Yeni sentezlenmiş ve veri tabanına eklenmiş MOFların önceki MOFlara kıyasla daha yüksek CO2 seçiciliği ve çalışma kapasitesine sahip olduğu gösterilmiştir. Tezin üçüncü kısmında, bilgisayar ortamında tasarlama teknikleri ile MOFların metalleri değiştirilerek yeni MOFlar tasarlanmış, CO2/H2 ve CO2/CH4 ayırma potansiyelleri incelenmiştir. Simülasyonlardan elde ettiğimiz sonuçlar MOFların metal tipinin CO2/H2 seçiciliğini etkilediğini göstermiştir. Literatürde sıkça çalışılmış MOFlardan Cu metaline sahip HKUST-1'in metali Cr ve Cd ile değiştirildiğinde bu MOF'un CO2/H2 seçiciliğinde sırasıyla %11 ve %38 oranlarında artış gözlemlenmiştir. Zn-HIFTOG02'nin metali V ile değiştirildiğinde seçiciliği 119'dan 355'e yükselmiştir. Sonuç olarak, bu tezde sunulan hesaplamalı tarama metotları ile (i) yanma öncesi CO2/H2 ayrımını yüksek performansla gerçekleştirecek MOFların binlerce MOF içerisinden ayıklanabileceği (ii) en yüksek CO2/H2 ayırma performansı veren MOFların yapısal özelliklerinin belirlenebileceği (iii) CO2 yakalama ve H2 saflaştırma performansı yüksek yeni MOFların tasarlanabileceği gösterilmiştir. Bu sonuçların CO2 yakalama ve hapsetme performansı üstün yeni MOFların tasarlanmasını kolaylaştırıcı bir katalizör görevi görmesi beklenmektedir.