4,4'-(4-amino-4H-1,2,4-triatsoli-3,5-diyyli)dibentsoehappopohjaiset metalliorgaaniset verkkorakenteet ja hiilidioksidin suora talteenotto ilmasta

Abstract

Ilmakehän kasvavan hiilidioksidipitoisuuden aiheuttama ilmastonmuutos on yksi nykyajan suurimmista globaaleista uhista, ja sen hillitsemiseksi on tehtävä huomattavia ja välittömiä muutoksia, joilla pystytään vähentämään ihmisen aiheuttamia kasvihuonekaasupäästöjä. Hiilidioksidia (CO2) otetaan nykypäivänä runsaasti talteen erilaisista pistelähteistä, kuten esimerkiksi suurista tehtaista ja energiantuotantolaitoksista, mutta tämä ei yksinään riitä laskemaan jo kohonnutta ilmakehän CO2-pitoisuutta riittävästi, vaan sen lisäksi tarvitaan myös hiilidioksidin suoraa talteenottoa ilmasta (Direct air capture, DAC). Talteen otetusta CO2:sta on mahdollista valmistaa polttoaineita, kuten esimerkiksi metanolia, tai se voidaan säilöä syvälle maanalaisiin varastoihin tai meren pohjaan. Yksi potentiaalisista DAC-olosuhteissa tehtävään talteenottoon käytettävistä sorbenttivaihtoehdoista ovat metalliorgaaniset verkkorakenteet (Metal-organic framework, MOF).

MOF:it ovat nimensä mukaisesti metalli-ioneista tai klustereista sekä niitä yhdistävistä orgaanisista ligandeista koostuvia verkkorakenteita, joilla on usein mielenkiintoisia ominaisuuksia kuten suuri huokoisuus ja ominaispinta-ala. Lisäksi niiden sisältämät ligandit ovat usein muokattavissa postsynteettisesti orgaanisen kemian keinoin. MOF:ien valmistukseen käytetään tyypillisesti paljon energiaa vaativia solvotermisiä reaktioita, mutta nykyään on kehitetty myös vaihtoehtoisia synteesimenetelmiä, joilla synteesin energiatehokkuutta voidaan parantaa. Lisäksi uusilla menetelmillä on mahdollista valmistaa MOF:eja ilman ympäristölle haitallisia orgaanisia liuottimia. MOF:it ovat usein jauhemaisia, joten teollisen mittakaavan käyttöä varten niistä tulee valmistaa suurempia kappaleita, kuten esimerkiksi kalvoja tai pellettejä.

Tutkielman kokeellisessa osassa valmistettiin uusia kirjallisuudesta löytyneeseen 4,4'-(4-amino-4H-1,2,4-triatsoli-3,5-diyyli)dibentsoehappoon (dbatH2) pohjautuvia MOF-rakenteita, joiden rakennetta ja CO2-adsorptio-ominaisuuksia karakterisoitiin. Ligandin huonon liukoisuuden vuoksi siitä valmistettiin natriumsuola (dbatNa2), jonka avulla ligandista saatiin vesiliukoinen. Natriumsuolan avulla onnistuttiin tuottamaan kolmea erilaista karakterisointikelpoista sinkkiä sisältävää MOF-rakennetta, joista yksi sisälsi kahta eri ligandia. Termogravimetristen sorptiomittausten perusteella kokeellisessa osuudessa tutkittujen MOF-rakenteiden CO2-talteenottokapasiteetit jäivät melko marginaalisiksi (< 1 mmol/g), mutta toisaalta tutkimusten aikana havaittu ligandin ja MOF:ien fluoresenssi voi mahdollistaa niille muita käyttökohteita.