High-throughput computational screening of mxene for co2 capture from syngas and the effect of interlayer distance on ideal gas separation

Abstract

Fosil yakıtların kullanımı, küresel enerji tüketiminin %90'ını oluşturmaktadır. Ancak fosil yakıt kullanımı arttıkça CO2 gibi sera gazları atmosferde birikerek küresel ısınmaya neden olmaktadır. Tüm dünyada deniz seviyelerinin yükselmesinin yanı sıra bu aynı zamanda ekolojik zincirin geri dönüşü olmayan bir şekilde kırılmasına da yol açacaktır. Bu anlamda, özellikle de azalan enerji kaynakları göz önüne alındığında H2 üretimi sırasında ortaya çıkan CO2'in H2'den ayrılması önem arz etmektedir. Bunun için farklı ayırma prosesleri kullanılsa da işlemin geri dönüşümlü olması ve yüksek ayırma sağlayabilmesinden dolayı en çok adsorpsiyon tercih edilmektedir. Bu tezde, yeni ve özgün bir malzeme ailesi olan MXene'lerin adsorpsiyon temelli CO2/H2 ayırma için performanslarının incelenmesi hedeflenmiştir. Öncelikle geniş malzeme çeşidine sahip kütüphane oluşturulup, bazı fertlerinin yapısı optimize edilmiştir. Monte Carlo simülasyonu yardımıyla CO2 ve H2 adsorpsiyon kapasiteleri hesaplanmış ve bunlar kullanılarak çeşitli gaz adsorbent ölçütleri irdelenmiştir. Ayrıca, MXene' nin katmanlar arası mesafesinin adsorpsiyon seçiciliğine etkisini belirlemek için, ara katman mesafesinin arttırılması sonrası simülasyonlar tekrar yapılmıştır. Hem basınç salınımlı adsorpsiyon hem de vakum salınımlı adsorpsiyon için en iyi performans sergileyen 10 MXene yapısı sıralanmıştır. Ara katman mesafesi dar olan MXene'ler için her iki proseste de Titanyum elementi içeren ve yüzeyi doyurulmamış 4 MXene, Ti0.4Nb1.6C, V2Ti2C3, Ti2VC2, Ti1.2Nb0.8C, yapısı dikkati çekmektedir. Ara katman mesafesi arttırıldıktan sonra ise çift metal içeren ve –(NCS2) gibi büyük fonksiyonel grupları içeren MXene yapıları her iki adsorpsiyon işlemi için öne çıkmaktadır. Genel anlamda, basınç salınımlı adsorpsiyon işlemi için ara katman mesafesinin artması sonrasında CO2 çalışma kapasitesi artarken adsorpsiyon seçiciliği azalmıştır. Bu tezden elde edilen sonuçlar MXene ailesinin yeni bir adsorbent malzemesi olarak kullanımına vesile olacak ve deneysel çalışmaların ilerlemesine ışık tutacaktır.

The use of fossil fuels accounts for 90% of global energy consumption. However, as its usage increases, greenhouse gases such as CO2 accumulates in the atmosphere resulting in global warming. Besides to the increments of sea levels all over the world, this also leads a breakage of ecological chain irreversibly. In this sense, it is crucial to separate CO2, which is generated during syngas production, from H2, especially considering the decreasing energy resources. Although different separation processes are available, adsorption is mostly preferred due to its reversibility, and high separation performance. In this thesis, adsorption-based separation performances of novel MXene nanomaterials for CO2/H2 separation are investigated. MXene database is created and some of its members are optimized. CO2 and H2 uptakes are examined by grand canonical Monte Carlo simulation and several adsorbent metrics are computed. To identify the effect of interlayer spacing of MXenes on the adsorption selectivity, after interlayer distance is enhanced, simulations are repeated. The promising 10 MXene structures for Pressure Swing Adsorption (PSA) and Vacuum Swing Adsorption (VSA) processes were revealed according to some metrics. Among the MXenes with short interlayer distance, four MXene structures, Ti0.4Nb1.6C, V2Ti2C3, Ti2VC2, Ti1.2Nb0.8C, containing double metal, and unsaturated surface are noteworthy for both PSA and VSA. After enhancement of interlayer distance, MXenes containing double metal and bulky functional groups of –(NCS2) stand out for both processes. In general, after increasing the interlayer distance for PSA, the CO2 working capacity increased, while the adsorption selectivity decreased. The results obtained from this thesis will lead to the use of MXene family as a novel adsorbent material and to guide the experimental studies.