Metalliorgaaniset huokosmateriaalit ja hiilidioksidin talteenotto

Abstract

Pro gradu –tutkielman aiheena ovat metalliorgaaniset verkkorakenteet (metal-organic frameworks, MOFs) ja niiden käyttömahdollisuudet hiilidioksidin talteenotossa. Tutkielman kirjallisessa osassa käsitellään yleisesti metalliorgaanisia verkkorakenteita ja niiden tämän hetken tutkimuksen tilaa. Adsorbenttimateriaaleiksi soveltuvien MOF-materiaalien ohella kirjallisuusosassa tarkastellaan suurimpia ihmisperäisiä hiilidioksidin lähteitä ja arvioidaan MOF-materiaalien soveltuvuutta hiilidioksidin talteenottoon mm. polttolaitosten savukaasuista. Kirjallisen osan lopuksi käydään läpi MOF:ien 3D-tulostustekniikoita ja kyseisten materiaalien kiinnitystekniikoita erilaisiin membraanialustoihin. Tutkielman kokeellisessa osassa pyrittiin valmistamaan eri kompleksointimenetelmillä uusia verkkorakenteita, joilla olisi mahdollisesti hiilidioksidin sitomisen kannalta suotuisia ominaisuuksia. Yhtätoista metallisuolaa ja viittä orgaanista ligandia eri tavoin yhdistelemällä valmistettiin 392 kompleksointireaktiota, joista noin neljäsosa tuotti kiteisiä lopputuotteita. Yksikiderakennemäärityksiin valikoitui kymmenen erilaista kiteistä lopputuotetta, joista yhdeksän osalta polymeerinen kiderakenne saatiin määritettyä. Kompleksointireaktioiden ohella syntetisoitiin kahta jo tunnettua MOF:ia, SIFSIX 1 Cu ja HKUST-1, joista molemmista valmistettiin myös 3D-tulostetut kappaleet. Näiden MOF:ien hiilidioksidin talteenotto-ominaisuudet osoittautuivat termoanalyyttisissä mittauksissa odotettua alhaisemmiksi sekä bulkkijauheiden että 3D-tulostettujen näytekiekkojen osalta. Hiilidioksidin sitomista tutkittiin myös neljällä kompleksointikiteytystuotteella (solvotermisten reaktioiden tuotteet 191, 198, 222 ja 223), mutta näidenkin CO2-adsorptiot jäivät hyvin alhaisiksi. Lisäksi havaittiin, että sitoutunut hiilidioksidi vapautui rakenteesta, jos syöttökaasu ei enää sisältänyt hiilidioksidia.