Kompozitní materiály na bázi uhlíku pro sorpci oxidu uhličitého

Aleš BADAČ

Bachelor's thesis

Carbon-based composite materials for carbon dioxide sorption

Abstract:

Tato bakalářská práce je zaměřena na přípravu a následnou modifikaci čistých, aminovaných a oxidovaných hierarchicky porézních uhlíkatých monolitů organokovovými sítěmi (MOFs). Modifikace spočívala v nakapávání metanolového roztoku MOF na mateřský uhlíkatý materiál, přičemž se předpokládalo uchycení MOF v makropórech tohoto materiálu. K modifikaci byly vybrány 3 organokovové sítě - MIL-101 (Fe)-NH2, MOF-76 (Gd) a HKUST-1 (Cu), přičemž všechny tyto MOF musely být před přípravou kompozitů upraveny tak, aby velikost částic byla do 3 ?m. Bylo to nutné z důvodu, že makropóry hierarchicky porézních uhlíkatých monolitů mají převážně tuto velikost. Charakterizace všech mateřských materiálů byla provedena infračervenou spektroskopií a sorpcí oxidu uhličitého při 273 K. Na připravených kompozitech byla provedena sorpce oxidu uhličitého při 273 K, přičemž adsorbované množství oxidu uhličitého na kompozitech připravených z čistých a oxidovaných hierarchicky porézních uhlíkatých monolitů se nijak významně nelišilo od měření provedeného na čistém a oxidovaném hierarchicky porézním uhlíkatém monolitu (0,03 - 0,11 mmol g-1). Tyto malé odchylky ovšem mohly být způsobeny experimentální chybou. Kompozity připravené z aminovaných materiálů vykazovaly oproti původním aminovaným materiálům zhoršení adsorpční kapacity o 0,04 - 0,67 mmol g-1. Toto zhoršení bude způsobeno nízkou teplotou aktivace (100 °C), protože z kompozitních materiálů je mnohem problematičtější molekuly rozpouštědla odstranit, v porovnání s čistými materiály. Z výsledků sorpce oxidu uhličitého na čistých MOF materiálech však bylo zjištěno, že nejlepší sorpční vlastnosti vůči oxidu uhličitému má HKUST-1 (Cu) (9,40 mmol g-1). Proto byla provedena syntéza tohoto MOF materiálu přímo v pórech čistých, oxidovaných a aminovaných hierarchicky porézních uhlíkatých monolitů (metoda in situ). Samotná syntéza probíhala tak, že se vzorky nejdříve impregnovaly reakční směsí HKUST-1 a následně do ní byly vloženy a ponechány v sušárně, aby MOF vykrystalizoval in situ v pórech. Část takto připraveného vzorku byla ponechána, aby bylo možné pozorovat jeho postupné zvyšování sorpční kapacity, a na zbylých vzorcích byly provedeny další 3 in situ syntézy HKUST-1 (Cu) v pórech. Z měření sorpce oxidu uhličitého při 273 K na těchto materiálech bylo zjištěno, že čistý uhlíkatý monolit zvýšil svou sorpční kapacitu po 4 syntézách HKUST-1 (Cu) v jeho pórech o 22 %, oxidovaný materiál o 117 % a aminovaný materiál o 203 %.

Abstract:

This bachelor thesis focuses on the preparation and subsequent modification of pure, aminated, and oxidized hierarchically porous carbon monoliths with metal-organic frameworks (MOFs). The modification involved the impregnation of a methanol solution of MOF onto the parent carbonaceous material, assuming the attachment of MOF in the macropores of this material. Three metal-organic frameworks were selected for modification: MIL-101 (Fe)-NH2, MOF-76 (Gd), and HKUST-1 (Cu), all of which had to be pre-treated to achieve particle sizes below 3 ?m before preparing the composites. This was necessary because the macropores of the hierarchically porous carbon monoliths predominantly have this size. The characterization of all parent materials was performed using infrared spectroscopy and carbon dioxide sorption at 273 K. Carbon dioxide sorption at 273 K was conducted on the prepared composites, and the adsorbed amount of carbon dioxide on the composites prepared from pure and oxidized hierarchically porous carbon monoliths did not significantly differ from the measurements performed on the pure and oxidized hierarchically porous carbon monoliths (0.03 - 0.11 mmol g-1). However, these small deviations could be attributed to experimental error. Composites prepared from aminated materials exhibited a decrease in adsorption capacity by 0.04 - 0.67 mmol g-1 compared to the original aminated materials. This decrease may be attributed to the low activation temperature (100 °C) since it is more challenging to remove solvent molecules from composite materials compared to pure materials. However, the results of carbon dioxide sorption on pure MOF materials revealed that HKUST-1 (Cu) exhibited the best adsorption properties towards carbon dioxide (9.40 mmol g-1). Therefore, the synthesis of this MOF material directly in the pores of pure, oxidized, and aminated hierarchically porous carbon monoliths (in situ method) was performed. The synthesis itself involved impregnating the samples with a reaction mixture of HKUST-1 and allowing the MOF to crystallize in situ in the pores by leaving them in a dryer. A portion of the prepared sample was left to observe the gradual increase in its adsorption capacity, and additional 3 in situ syntheses of HKUST-1 (Cu) in the pores were performed on the remaining samples. Measurements of carbon dioxide sorption at 273 K on these materials revealed that the pure carbon monolith increased its sorption capacity by 22% after 4 syntheses of HKUST-1 (Cu) in its pores, the oxidized material by 117%, and the aminated material by 203%.

Keywords

Hierarchicky porézní uhlíkatý monolit, HKUST-1, MIL-101 (Fe) ? NH2, MOF-76 (Gd), in situ, dip-coating, kompozity, oxid uhličitý.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 6. 2023

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Mgr. Tomáš Zelenka, Ph.D.

University of Ostrava

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Chemistry / Chemistry