Okzalamit Grubu ile Karbondioksite Duyarlı Yeni Metal Organik Kafeslerin Sentezi ve Gaz Adsorpsiyon Özelliklerinin Araştırılması

Abstract

Fosil yakıtların yanmasıyla meydana gelen atmosferdeki CO2 miktarının artması önemli çevre sorunlarına sebep olmaktadır. Sorunun çözümü yenilenebilir enerji gibi görülse de önümüzdeki yıllarda enerji talebinin karşılanmasında fosil yakıtlar kullanılmaya devam edilmesi planlanmaktadır. Bu yüzden araştırmalar fosil yakıtla çalışan ve sıfıra yakın CO2 salınımı üreten sistemler üzerine yoğunlaştırılmıştır. Metal organik kafes adı verilen gözenekli katı adsorbanlar baca gazı karışımından CO2’i ayırabilmekte böylece atmosfere CO2 salınımı azaltabilecek katı adsorbanlar arasında görülmektedir. Yüksek lisans tezinde baca gazı karışımından CO2’i seçerek ayırabilecek okzalamit grubu ile fonksiyonelleştirilmiş gözenekli metal organik kafeslerin hazırlanması, karakterizasyonu ve gaz sorpsiyon performanslarının belirlenmesi amaçlanmıştır. Tez kapsamında merkezinde okzalamit grubu taşıyan dört ligantın sentezi ve karakterizasyonundan sonra bu ligantlar kullanılarak solvotermal, mikrodalga ve çözücü yardımlı metal iyonu değişimi yöntemleriyle 12 yeni malzeme hazırlanmış ve yapıları karakterize edilmiştir ve fotolüminesans özellikleri araştırılmıştır. Hazırlanan MOF’ların tek kristal bilgilerinden yararlanarak 0,1-50 bar aralığında 298 K’de CH4, N2, CO2 ve 77 K’de H2 gazları için gaz sorpsiyon kapasiteleri simülasyonlar ile belirlenmiştir. Cu-OATA- Zn (12)’nın 298 K 35 bar’da 229,96 cm3/g CH4, 77K 10 bar’da kütlece %5,33 H2 gaz depolama performansına sahip olduğu 298 K 1 bar’da Zn-3-OADA (1) kütlece %23,75 CO2 gazı adsorbe edebildiği hesaplanmıştır. Seçicilik performans hesaplamalarında ise Cd-OATA (5)’in CO2/CH4 seçicilik katsayısının 6,11, CO2/N2 için ise 22,75 olduğu hesaplanmıştır. Aktivasyon işlemleri ardından MOF’ların 1 bar basınca kadar 273 K ve 298 K’de CO2 adsorpsiyon performansları deneysel olarak araştırılmıştır. Adsorpsiyon kapasitelerinin %7,93-25,35 aralığında gerçekleştiği deneysel olarak gözlenmiştir. Deneysel adsorpsiyon değerlerinin simülasyon ile belirlenen kapasiteden bir miktar düşük olması aktivasyon sırasında gerçekleşen gözenek büzülmesinden kaynaklanabileceği düşünülmektedir. En yüksek CO2 adsorpsiyonuna sahip Cu-OATA-Zn (12)’ın (273 K’de 129,04 cm3/g; %25,35 ve 298 K’de 50,08 cm3/g; %9,83) MOF literatüründe önemli bir yere sahip olabileceği öngörülmektedir.

Increasing amount of CO2 in the atmosphere resulting from the combustion of fossil fuels leads to significant environmental problems. Although the solution of the issue seems to be solved by using renewable energy, it is planned to continue to use fossil fuels in the coming years to meet the energy demand. Therefore, researches have been concentrated on the processes that operate with fossil fuels but produce near zero CO2 emissions. As a new class of porous solid adsorbents, metal organic frameworks, are able to separate CO2 from the flue gas mixture and therefore they can reduce CO2 emissions in the atmosphere. The aim of the thesis is to synthesis, characterize and determine gas sorption performances of porous metal organic frameworks functionalized with oxalamide groups that can select CO2 from flue gas mixture. Within the scope of the thesis, after synthesis and characterization of the four organic ligands with oxalamide group at the center, the new MOFs were prepared by solvothermal, microwave and solvent-assisted metal ion exchange methods using these ligands and characterized. Gas sorption capacities for CH4, N2, CO2 and 77 K H2 gases were determined by simulations in 298 K in the range of 0.1-50 bar using the single crystal data of the prepared MOFs. At 298 K and 35 bar the CH4 uptake capacity of Cu-OATA-Zn (12) reaches 229.96 cm3/g, while at 77 K and 10 bar the H2 uptake capacity reaches 5,33 wt.%. At 298 K 1 bar the adsorbsion CO2 capacity of Zn-3 OADA (1) was calculated to 23.75 wt.%. The selectivity coefficient of CO2/CH4 and CO2/N2 for Cd-OATA (5) were calculated as 6.11 and 22.75, respectively. After activation, CO2 adsorption performances of the MOFs were investigated experimentally at 273 K and 298 K at 1 bar. It has been observed that uptake capacities of synthesized MOFs are in the range of 7.93-25.35 wt.%. It is thought that the experimental adsorption capacities are slightly lower than the calculated capacity and may be caused by pore shrinkage during activation. It is that Cu-OATA-Zn (12) has the highest CO2 adsorption capacity of synthesized MOF can have a key role in the literature (At 273 K, 1 bar 129.04 cm3/g; %25.35 at 298 K, 1 bar 50.08 cm3/g; %wt. 9.83)