Metal-Organic Frameworks for CO2 capture

Thumbnail Image

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemiantekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-05-05

Department

Major/Subject

Materiaalitiede ja -tekniikka

Mcode

CHEM3013

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

27

Series

Abstract

The greatest driving force for global warming is the release of greenhouse gases, the most abundant of which is carbon dioxide. Technologies for carbon capture and storage (CCS) need to be developed to mitigate climate change. This thesis evaluates the ability for Metal-Organic Frameworks (MOFs) to function as adsorption materials for CCS. CO2 can be captured as Direct Air Capture (DAC) or as Point Source Carbon Capture (PSCC). This thesis focuses on MOFs for DAC, as this method encompasses all emission sources. The qualities needed for an efficient CCS material are discussed in this thesis. MOFs are microporous frameworks composed of metallic ions and organic ligands. They can be easily modified to achieve specific pore sizes or functionalities. MOFs can be directly synthesized or post-synthetically modified to attain better adsorption capacity or CO2 selectivity, which are both important attributes for CCS. This thesis demonstrates how MOFs exhibit great promise as carbon capture adsorbents due to their microporosity, large surface area, good selectivity and adsorption capacity, as well as their ability to be easily modified. In comparison to other solid adsorbents used for CCS, MOFs have proven advantageous in their greater porosity and larger surface area. However, there are some disadvantages, such as instability under moisture, varying temperatures, or mechanical strain. There is little research on MOFs for industrial purposes specifically for DAC. Additionally, the desorption and release of CO2 from MOFs seems to have limited study regarding real-life applications. For the MOF to function effectively in CCS, it should be able to withstand continuous cycles of adsorption and desorption. It was concluded in this thesis, that for industry-scale manufacturing and commercialization, more research needs to be conducted on MOFs for carbon capture, especially in real-life conditions.

Merkittävimpiä ilmaston lämpenemiseen vaikuttavia tekijöitä ovat kasvihuonekaasut ja etenkin hiilidioksidi. Ilmaston lämpenemisen hidastamiseksi ja pysäyttämiseksi täytyy kehittää teknologioita hiilidioksidin talteenottoa ja varastointia varten. Kandidaatintyön aiheena ovat metalliorgaaniset runkorakenteet (metal-organic frameworks, MOFs) sekä niiden soveltuvuus materiaaleiksi hiilidioksidin talteenottoon ja varastointiin. Hiilidioksidin talteenotto voidaan tehdä suoraan ilmakehästä, tai pistelähteistä, kuten hiilivoimaloista. Pistelähteiden päästöissä on usein korkea hiilidioksidipitoisuus, ja niiden koostumus ja virtaus on tunnettu tai säädeltävissä. Kun hiilidioksidia otetaan talteen suoraan ilmakehästä, virtaus voi vaihdella, ja hiilidioksidin pitoisuus on hyvin alhainen. Työssä keskitytään pääosin hiilidioksidin talteenottoon suoraan ilmakehästä, sillä tässä kaikki päästölähteet ovat huomioituna, kuten liikenne sekä kotitaloudet. Työssä tarkastellaan, mitä ominaisuuksia talteenottomateriaalilla täytyy olla tähän käyttötarkoitukseen. MOF-rakenteet ovat kiteisiä mikrohuokoisia rakenteita, jotka koostuvat orgaanisista ligandeista ja metalli-ioneista. Vaihtoehtoja orgaanisille molekyyleille ja metalli-ioneille on lähes loputtomasti, ja valitsemalla halutut rakenneosat, voidaan vaikuttaa MOF-rakenteen huokosten kokoon ja toiminnallisuuksiin. MOF-rakenteita voidaan valmistaa hiilidioksidin adsorbointia varten esimerkiksi käyttämällä syntetisoinnissa orgaanisia molekyylejä, jotka sitovat hiilidioksidia. Joskus rakennetta ei voida syntetisoida suoraan, koska se reagoi itsensä kanssa eikä muodostu halutulla tavalla. MOF-rakenteita muokataan tästä syystä usein syntetisoinnin jälkeen. Syntetisoinnin jälkeen rakenteeseen voidaan esimerkiksi muodostaa avoimia metallipaikkoja, tai lisätä polaarisia sivuketjuja, joihin hiilidioksidi sitoutuu helpommin. MOF-rakenteet osoittautuivat työssä lupaaviksi materiaaleiksi hiilidioksidin talteenotossa niiden helpon muokattavuuden, mikrohuokoisuuden, suuren pinta-alan, hyvän valikoivuuden sekä adsorptiokapasiteetin ansiosta. Verrattuna muihin hiilidioksidin talteenotossa käytettäviin materiaaleihin, kuten aktiivihiiliin, zeoliitteihin tai mikrohuokoisiin polymeereihin, MOF-rakenteilla on todettu edullisen suuri huokoisuus sekä pinta-ala. Rakenteilla on kuitenkin joitakin kehityskohteita, kuten heikko stabiilius kosteuden, vaihtelevan lämpötilan, ja mekaanisen paineen alla. MOF-rakenteita on tutkittu hyvin vähän teollisuuskäyttöä varten, erityisesti ilmakehän kaltaisissa olosuhteissa. Useat tutkimukset keskittyvät parantamaan MOF-rakenteiden kykyä sitoa hiilidioksidia, mutta varastoinnin toinen tärkeä osa-alue, hiilidioksidin vapauttaminen materiaalista, on jäänyt useasti pienemmälle tutkinnalle. Jotta tiedetään, että materiaali soveltuu hiilidioksidin talteenottoon, sen täytyy säilyttää rakenteensa ja adsorptiokapasiteettinsa jatkuvien adsorptio- ja desorptiosyklien ajan. Työssä todettiin, että hiilidioksidin vapauttamiselle MOF-rakenteista tarvitaan enemmän tutkimusta etenkin ilmakehän kaltaisissa olosuhteissa. Lisäksi todettiin, että teollisuuskäyttöä ja kaupallistamista varten MOF-rakenteet vaativat lisää tutkimustyötä.

Description

Supervisor

Kontturi, Eero

Thesis advisor

Pršlja, Paulina

Keywords

carbon capture and storage, CCS, CO2 capture, metal-organic frameworks, MOFs, MOF

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202406184572

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM