Geri Dön

Understanding toxic gas adsorption in MOFs via high-throughput computational screening and machine learing

Yüksek verimli hesaplama ve makine öğrenimi ile MOF'larda zehirli gaz adsorpsiyonunun anlaşılması

PDF İndir

  1. Tez No: 926009
  2. Yazar: GÖKTUĞ ERÇAKIR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SEDA KESKİN AVCI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Binlerce deneysel olarak sentezlenmiş ve yüz binlerce hesaplamalı olarak üretilmiş MOF'ların arasından belirli bir uygulama için en uygun metal-organik kafeslerin (MOF'lar) belirlenmesi, giderek zorlaşmaktadır. Daha verimli gaz ayırma sistemlerine olan artan talep, daha karmaşık, zaman alıcı ve tehlikeli bir deney ortamını ihtiyacı da beraberinde getirmektedir. Bu sınırlamaları aşmak için, hibrit (QMOF) ve deneysel (CoRE MOF) veri setlerinin çeşitli gaz ayırma ve depolama uygulamaları için yüksek verimli taramasına odaklandık. MOF'ların gaz tutma miktarları, configurational biased Monte Carlo (CBMC) ve Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) simülasyonları ile hesaplandı ve moleküllerin MOF yapılarına kendiliğinden difüzyonu, moleküler dinamik (MD) simülasyonlarına göre çeşitli koşullarda belirlendi. En iyi adsorban adaylarını belirlemek için seçicilik, çalışma kapasitesi, adsorban performans skoru ve yüzde rejenerasyon oranı gibi çeşitli adsorban performans değerlendirme metrikleri kullanıldı. Havadaki uçucu organik bileşiklerin (VOC'ler) yakalanması için elde ettiğimiz sonuçlar, MOF'larımızın üçte birinden fazlasının ticari MFI'den daha yüksek (bütan) C4H10 seçiciliğine sahip olduğunu göstermektedir. Ayrıca, ilk 5 MOF'un C4H10 seçicilik değerlerinin 1 bar için (10 bar) 6.3“×”103-9“×”103 (3.8“×”103-5“×”103) arasında değiştiği görülmüştür. Yapı-performans ilişkilerinin analizi, orta derecede gözenekliliğe (0.4–0.6) ve dar gözenek boyutlarına (6–9 Å) sahip MOF'ların genellikle yüksek C4H10 seçiciliği gösterme eğiliminde olduğunu ortaya koymuştur. En iyi malzemelerin radyal dağılım fonksiyonu analizleri, C4H10 moleküllerinin ağırlıklı olarak MOF'ların organik bağlayıcılarına yakın lokalize olduğunu göstermiştir. Sonuçlarımız, VTSA'nın C3H8 yakalanması için en etkili süreç olduğunu ve birçok MOF'un yüksek rejenerasyon yeteneği (> %90), olağanüstü (propan) C3H8 seçiciliği (>7×10³) ve yüksek (etan) C2H6+ C3H8 seçiciliği (>100) sunduğunu göstermektedir. En iyi performans gösteren MOF'lar, dar gözeneklere (<10 Å), düşük gözenekliliğe (<0.7), benzen halkalı bağlantılara ve alümina veya çinko nodlara sahiptir. Bu MOF'lar, propan'ın havadan ayrılması uygulamalarında MFI'ın performansını aşmakta ve propan'ın doğal gazdan ayrılması için kullanılan çeşitli ticari MOF'lardan daha iyi sonuçlar vermektedir. Son iki bölümde, CoRE MOF'ların ve hMOF'ların CO tutunmalarının (kendiliğinden difüzyon) 1 bar ve 298 K'de sırasıyla from 0.02-2.28 (1.1×10-6 ve 2.5 ×10-3 cm2/s) mol/kg ve 0.45 to 3.06 mol/kg (2.6×10-7-3.6×10-3 cm2/s), arasında değiştiği hesaplanmıştır. Düşük basınçlarda (0.1-1 bar), CO için Henry sabiti (KH,CO) gaz tutma performansı için en önemli değişkendir, oysa daha yüksek basınçlarda (10 bar), yüzey alanı (Sacc) ve gözeneklilik (ϕ) gibi yapısal faktörler daha önemli hale gelmektedir. CO difüzyonu için sonuçlar, Tutunma ısısının (Q0st,CO) en önemli özellik olduğunu ortaya koymaktadır. Analizimiz, en iyi performans gösteren adsorbanları belirlemiş ve en yüksek CO tutumuna sahip MOF'ların genellikle dar gözeneklere (4.5–7.2 Å), aromatik halkalara, karboksilik asitlere, halojenlere ve Li gibi nadir metallere sahip olduğunu göstermiştir. Gaz tutma sonuçlarının aksine, yüksek PLD değerlerine (>12 Å) ve daha büyük gözenek hacmine (>1.2 cm³/g) sahip MOF'lar, daha yüksek CO difüzyon değerlerine (DCO >10-4 cm2/s) sahip olma eğilimi göstermektedir. Sonuçlarımız, moleküler simülasyon teknikleri ile kullanılan ML algoritmalarının ve HTCS metodolojisinin deneysel ve hesaplamalı çalışmalara güvenilir ve hızlı rehberlik sağladığını göstermektedir.

Özet (Çeviri)

Determining the best metal organic frameworks (MOFs) for a specific application is getting harder while thousands of them have been experimentally synthesized and hundreds of thousands of them have been computationally generated. Increasing demand for more efficient gas separation systems also brings about a more complicated, time consuming, and dangerous experiment environment. In this thesis, we focused on high-throughput computational screening of hybrid (QMOF) and experimental (CoRE MOF) MOF data sets for several separation and storage applications to overcome these limitations. Gas uptakes of MOFs were computed configurational biased Monte Carlo (CBMC), and grand canonical Monte Carlo (GCMC) simulations, and self-diffusivity of molecules in MOF structures was determined using molecular dynamics (MD) simulations at several conditions. Various adsorbent performance evaluation metrics, such as selectivity, working capacity, adsorbent performance score, and percent regenerability, were used to identify the best adsorbent candidates. In the first part, we examined volatile organic compounds (VOCs) capture from air, and our results showed that more than one-third of our MOFs have higher (butane) C4H10 selectivities than commercial zeolite MFI. The top five MOFs have C4H10 selectivities between 6.3“×”103-9“×”103 (3.8“×”103-5“×”103) at 1 bar (10 bar). Analysis of the structure-performance relations demonstrated that MOFs with mediocre porosity (0.4-0.6) and narrow pore sizes (6-9 Å) tend to have high C4H10 selectivities. Radial distribution function analyses of the top materials revealed that C4H10 molecules predominantly localize near the organic linkers of the MOFs. In the second part, we focused on (propane) C3H8 capture with MOFs and our results demonstrate that (vacuum-temperature swing adsorption) VTSA is the most effective process for many MOFs offering high regenerability (>90%), exceptional C3H8 selectivity (>7×103), and high C2H6+ C3H8 selectivity (>100). Top-performing MOFs are characterized by narrow pores (<10 Å), low porosities (<0.7), aromatic ring linkers, and alumina or zinc nodes. These MOFs outperform commercial zeolite MFI for air separation and surpass several commercial MOFs for natural gas streams. In the last two parts, we showed that CO uptakes (self-diffusivities) of CoRE MOFs and hMOFs range from 0.02 to 2.28 mol/kg (1.1×10-6 to 2.5×10-3 cm2/s) and 0.45 to 3.06 mol/kg (2.6×10-7 to 3.6×10-3 cm2/s), respectively, at 1 bar and 298 K. At low pressures (0.1-1 bar), Henry's constant for CO (KH,CO) is the primary determinant of performance, whereas at higher pressure (10 bar), structural factors like surface area (Sacc) and porosity (ϕ) become more significant. For CO diffusivity, results reveal that heat of adsorption (Q0st,CO) is the most important feature. Our analysis identified the top-performing adsorbents, revealing that MOFs with the highest CO uptakes typically feature narrow pores (4.5-7.2 Å), aromatic rings, carboxylic acids, halogens, and rare metals such as Li. Contrary to the uptake results, MOFs with high PLD values (>12 Å) and larger pore volume (>1.2 cm3/g) tend to have higher CO diffusivity values, DCO >10-4 cm2/s. Our results demonstrate that the utilization of machine learning algorithms and HTCS methodology with molecular simulation techniques exhibit reliable and rapid guidance to feature experimental and computational studies.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    543924

    Application of metal organic frameworks (MOFs) in drug delivery

    Metal organik kafeslerin ilaç salımında uygulamaları

    MEHRAN ALIARI MIAVAGHI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET SİRKECİOĞLU

  2. Tez No

    856469

    Implementation of novel carbon-based nanomaterials for high-performance gas sensors

    Yüksek performanslı gaz sensörlerinde yenilikçi karbon bazlı nanomalzemelerin uygulanması

    MOHAMAD ANAS HEJAZI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LEVENT TRABZON

  3. Tez No

    39654

    Katı atıkların depolanmasında karşılaşılan geoteknik problemler

    Geotechnical problems encountered in disposal of wastes

    AHMET KUTAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1994

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. AHMET SAĞLAMER

  4. Tez No

    747184

    Organik bileşiklerde gaz adsorpsiyon termodinamiğinin incelenmesi

    Investigation of gas adsorption thermodynamics in organic compounds

    VİLDAN YILMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Fizik ve Fizik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET ALTINDAL

  5. Tez No

    666991

    Synthesis and ınvestigation of adsorption properties of mercury-selective urea-functional polymeric resin

    Civaya seçimli üre fonksiyonlu polimerik reçinenin sentezlenmesi ve adsorpsiyon özelliklerinin incelenmesi

    SİNEM BEKTAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BAHİRE FİLİZ ŞENKAL

Geri Dön