Hiilidioksidin suoraan ilmasta talteenotto amino-triatsoli ligandeihin pohjautuvilla metalliorgaanisilla verkkorakenteilla
Authors
Date
2021Copyright
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Metalliorgaanisiin verkkorakenteisiin (engl. metal-organic framework; MOF) liittyvä tutkimus on kasvanut viime vuosina merkittävästi niin kansainvälisellä kuin kansallisellakin tasolla. Yhdistekohtaisesti MOF-materiaaleilla on havaittu olevan erittäin mielenkiintoisia fysikaaliskemiallisia ja rakenteellisia ominaisuuksia, joita voidaan mahdollisesti hyödyntää laaja-alaisesti erilaisissa lähitulevaisuuden käytännön sovellutuksissa esimerkiksi kemian ja tekniikan aloilla. Hyvänä esimerkkinä intensiivisesti tutkittavasta sovellusalasta on hiilidioksidin talteenotto kiinteiden MOF-pohjaisten adsorbenttimateriaalien avulla. Ne ovat osoittautuneet erittäin potentiaalisiksi sorbenteiksi hiilidioksidin (CO2) talteenotossa, yhdisteiden omatessa suuren huokoisuuden ja sitä kautta suuren reaktiivisen ominaispinta-alan. Hiilidioksidin talteenotossa päätavoitteena on hillitä ilmastonmuutosta ottamalla talteen hiilidioksidipäästöjä pistelähteistä (energiantuotantolaitokset, teollisuus) tai suoraan ympäröivästä ilmasta (engl. direct air capture; DAC). Talteen otettua hiilidioksidia voidaan hyödyntää esimerkiksi polttoaineiden valmistuksessa tai se voidaan varastoida maanalaisiin varastoihin, jolloin hiilidioksidia saadaan poistettua ilmakehästä pysyvästi. Hiilinegatiivisen emissiotaseen saavuttamiseksi talteenottoprosessista aiheutuvien CO2-kokonaispäästöjen täytyy olla pienempiä kuin prosessin kokonaistalteenotto sen elinkaarena.
Pistelähde talteenottoprosesseissa hiilidioksidi otetaan talteen pistelähteiden tuottamista savukaasuista, jolloin prosessi voi parhaimmillaan olla hiilineutraali. DAC-talteenotto prosesseista sen sijaan ei aiheudu päästöjä, jos prosessiin tarvittava sähkö tuotetaan uusiutuvilla energianlähteillä ja näin ollen prosessin hiilinegatiivisuus on mahdollista. DAC-talteenotto on kuitenkin vielä pääasiassa kehitysvaiheessa ja sen nykyiset kustannukset ovat vielä merkittävästi perinteisiä talteenottotekniikoita suuremmat. Tämän takia tutkimusta tarvitaan mm. entistä tehokkaampien ja prosessikestävyydeltään parempien sorbenttimateriaalien kehitystyössä, sekä sorptioprosessien optimoinnissa. MOF-yhdisteisiin perustuvaa hiilidioksidin DAC-talteenottoa on tutkittu toistaiseksi lähinnä pienissä mittakaavoissa (mg- ja g-skaalat), mutta näiden tutkimusten perusteella on havaittu merkittävää potentiaalia ja talteenottokapasiteettien kasvua perinteisiin epäorgaanisiin talteenottomateriaaleihin verrattuna. Yksi keskeisimmistä haasteista MOF-yhdisteiden teollisen mittakaavan hyödyntämisessä on ollut niiden valmistuksen huono skaalautuvuus teollisiin mittakaavoihin. Tähänkin ongelmaan on kehitteillä ratkaisuja, mutta DAC-talteenoton suuren mittaluokan, niin fysikaaliskemialliset kuin tuotannollisetkin haasteet, edellyttävät DAC-talteenottotekniikoihin liittyvän tutkimuksen lisäämistä maailmanlaajuisesti.
Tutkielman kokeellisen osan tavoitteena oli valmistaa uusia MOF-yhdisteitä pohjautuen kahteen amino-triatsoli ligandiin ja karakterisoida syntetisoitujen yhdisteiden hiilidioksidin talteenottokykyä. MOF-yhdisteiden valmistukseen käytettiin pääasiassa prekursoriligandeista valmistettuja ligandisuoloja (esim. nitraatti, heksafluorosilikaatti), minkä avulla pyrittiin lisäämään ligandien liukoisuutta ja reaktiivisuutta MOF-materiaalien synteeseissä. Reaktioissa käytettyjen lähtöaineiden (ligandi- ja metallisuolat) ollessa pääosin vesiliukoisia, synteesit tehtiin vesifaasissa, jolloin synteesimenetelmästä saatiin ekologisempi ja mahdollisesti muodostuneista MOF-rakenteista lähtökohtaisesti vedenkestäviä. Kokeellisen työn tuloksena valmistettiin 10 uutta MOF-yhdistettä ja kolme koordinaatiokompleksia, jotka karakterisoitiin yksikideröntgendiffraktometrisesti. Näistä viiden MOF-yhdisteen termistä käyttäytymistä ja hiilidioksidin talteenotto-ominaisuuksia tutkittiin termogravimetrisesti. Syntetisoiduista yhdisteistä, MOF-rakenne 7 osoittautui rakenteellisilta ja CO2- talteenotto-ominaisuuksiltaan parhaimmaksi. Lisäksi sen valmistaminen osoittautui hyvin yksinkertaiseksi, toistettavaksi ja skaalautuvaksi. Yhdisteen 3D-MOF kiderakenne koostui amino-triatsolijohdannaisesta, apuligandina käytetystä 5-sulfoisoftaalihaposta sekä kupari(II)noodeista, jotka muodostivat tuotteen parhaimmillaan n. 5 minuutin reaktioseoksen lämmityksellä. Yhdisteen maksimi CO2-talteenottokapasiteetiksi määritettiin 0,94 mmol/g.
...
Metadata
Show full item recordCollections
- Pro gradu -tutkielmat [29107]
Related items
Showing items with similar title or keywords.
-
Metalliorgaanisiin verkkorakenteisiin perustuva hiilidioksidin suoraan ilmasta talteenotto ja konversio
Karjalainen, Emma (2022)Tämän luonnontieteiden kandidaatin tutkielman kirjallinen osuus käsittelee metalliorgaanisia verkkorakenteita ja niiden käyttöä hiilidioksidin talteenotossa ja muuntamisessa arvokkaammiksi aineiksi. Kirjallisuuskatsauksessa ... -
Synthesis and testing of direct air capture adsorbents
Lundahl, Jussi (2021)Tämän tutkielman kirjallisuusosassa tarkastellaan hiilidioksidin tuottamia ongelmia ja ratkaisuja hiilidioksidin sieppaamiseen. Hiilidioksidin ilmasta kaappaus (DAC) ja siihen sopivia adsorbentteja käsitellään tarkemmin, ... -
Use of nanostructures as oxygen carriers in chemical looping combustion
Aho, Kaisa (2013)The usage of fossils fuels has increased carbon dioxide emissions, and the carbon dioxide is responsible for global warming and sea level rising. One of the most promising ways of carbon capturing from the power plants is ... -
Influence of a Cu–zirconia interface structure on CO2 adsorption and activation
Gell, Lars; Lempelto, Aku; Kiljunen, Toni; Honkala, Karoliina (American Institute of Physics, 2021)CO2 adsorption and activation on a catalyst are key elementary steps for CO2 conversion to various valuable products. In the present computational study, we screened different Cu–ZrO2 interface structures and analyzed the ... -
Computational studies of chemical looping combustion materials and CO₂ activating surfaces
Parviainen, Teemu (University of Jyväskylä, 2016)