تأثیر پراکسیدها و فرآیند شستشو بر قابلیت جذب هیدروژن در چارچوب فلزی آلی MOF-5 سنتز شده به روش اختلاط مستقیم

نویسندگان

1 گروه پژوهشی مواد غیرفلزی، پژوهشگاه نیرو، تهران، ایران

2 پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران

چکیده

 در این تحقیق تأثیر پراکسید هیدروژن و پراکسید بنزوئیل بر ویژگی‌های ساختاری و خصوصیات سطحی چارچوب فلزی آلی Zn4O(BDC)3) MOF-5) مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور چارچوب فلزی آلی به روش اختلاط مستقیم سنتز شده و در ادامه به‌منظور بهبود ویژگی‌های MOF-5 سنتز شده، نسبت‌های مولی پیش ماده‌ها نسبت به لیگاند برای به حداقل رساندن خطای محاسبات استوکیومتری و همچنین فرآیند شستشو اصلاح شد. با هدف مشخصه‌یابی ترکیبات سنتز شده و بررسی اثر پراکسیدها و فرآیند شستشو بر خواص نمونه‌ها، اندازه‌گیری‌های پراش پرتو ایکس، طیف‌سنجی مادون قرمز با تبدیل فوریه و آنالیز جذب و واجذب نیتروژن انجام گرفت. با توجه به آزمون‌های انجام شده، نمونه سنتز شده با حضور پراکسید بنزوئیل و همچنین با روش شستشو اصلاح شده (DM-P-03) دارای ویژگی‌های ساختاری، تخلخل، منافذ فعال و مساحت سطح ویژه مطلوب‌تری در مقایسه با نمونه سنتز شده با پراکسید هیدروژن است. در این نمونه متوسط اندازه بلورک 18/5 نانومتر، سطح ویژه 2307 مترمربع بر گرم، مجموع حجم حفره‌ها 1/212 سانتی‌متر مکعب بر گرم و میانگین قطر حفره‌ها 2/101 نانومتر است. بنابراین نمونه DM-P-03 به‌عنوان نمونه بهینه انتخاب شده و برای انجام آزمون‌های ریزساختاری و وزن سنجی-گرماسنجی افتراقی آماده‌سازی شد. بر اساس تصویر میکروسکوپی الکترونی گسیل میدانی این نمونه از ذرات کوچک شبه کروی نامنظم تشکیل شده و شکل‌گیری این ریزساختار به حضور پراکسید بنزوئیل نسبت داده شده است. با توجه به آنالیز وزن سنجی-گرماسنجی افتراقی ترکیبات روی باقی مانده در نمونه بررسی و پایداری حرارتی ساختار MOF-5 تا دمای 470 درجه سانتی‌گراد تأیید شد. 

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

The Influence of Peroxides and Washing Process on Metal-Organic Framework of MOF-5 Synthesized by Direct Mixing Method

نویسندگان [English]

  • A. Mehdikhani 1
  • H. Fallah-Arani 1
  • F. Dabir 1
  • A. Ghanbari 2
1 Non-Metallic Materials Research Group, Niroo Research Institute (NRI), Tehran, Iran
2 Materials and Energy Research Center, Karaj, Iran
چکیده [English]

 In this research, the effect of hydrogen peroxide (H2O2) and benzoyl peroxide (BPO) on the structural properties, porosity, active pores, and surface area of the MOF-5 (Zn4O(BDC)3) metal-organic framework was studied. For this purpose, the metal-organic framework was synthesized by direct mixing and the molar ratios of the precursors to the ligand were modified to minimize the stoichiometric calculation error as well as the washing process to improve the properties of the synthesized MOF-5. In order to characterize the synthesized compounds and to investigate the effect of peroxides and washing process on the properties of the samples, X-ray diffraction (XRD), fourier Transform infrared spectroscopy (FTIR), and thermogravimetric/Differential scanning calorimetry (TG-DSC) analysis were performed. Structure, pore volume (1.212 cm3/g), and specific surface area (2307 m2/g) were compared to the sample synthesized with H2O2. DM-P-03 was selected as the optimal sample and prepared for thermal stability. According to TG-DSC analysis, the remaining zinc compounds in the sample were checked and the thermal stability of MOF-5 structure was confirmed up to 470°C.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Metal-organic framework
  • MOF-5
  • Direct mixing
  • Peroxide
  • Washing process
  • Surface area

مراجع

  1. Quarton, C.J., Tlili, O., Welder, L., Mansilla, C., Blanco, H., Heinrichs, H., Leaver, J., Samsatli, N.J., Lucchese, P., Robinius, M., and Samsatli, S., “The Curious Case of the Conflicting Roles of Hydrogen in Global Energy Scenarios Sustain”, Energy Fuels, Vol. 4, No. 1, pp. 80–95, 2020.
  2. Hart, D., Howes, J., Lehner, F., Dodds, P.E., Hughes, N., Fais, B., Sabio, N. and Crowther, M., “Scenarios for Deployment of Hydrogen in Contributing to Meeting Carbon Budgets and the 2050 Target”, The Climate Change Committee, 2015.
  3. Raturi, A.K.,"Renewables 2019 Global Status Report." 2019.
  4. Reuß, M., Grube, T., Robinius, M., Preuster, P., Wasserscheid, P., and Stolten, D., “Seasonal Storage and Alternative Carriers: A Flexible Hydrogen Supply Chain Model”, Applied Energy, 200, pp. 209–302, 2017.
  5. Calise, F., D’Accadia, M.D., Santarelli, M., Lanzini, A., and Ferrero, D., “Hydrogen Storage Solar Hydrogen Production: Processes, Systems and Technologies”, Academic Press,
  6. Kato, Y., Otsuka, K. and Liu, C.Y., “Carbon Dioxide Zero-Emission Hydrogen Carrier System For Fuel Cell Vehicle”, Chemical Engineering Research and Design, Vol. 83, No. 7, pp. 900-904, 2005.
  7. Perlt, E., Friedrich, J., Von Domaros, M., and Kirchner, B., “Importance of Structural Motifs in Liquid Hydrogen Fluoride”, ChemPhysChem, Vol. 12, No. 17, pp. 3474-3482, 2011.
  8. Cheng, H., Chen, L., Cooper, A.C., Sha, X., and Pez, G.P., “Hydrogen Spillover in the Context of Hydrogen Storage Using Solid-State Materials”, Energy & Environmental Science, Vol. 1, No. 3, pp. 338-354, 2008.
  9. Gangu, K.K., Maddila, S., Mukkamala, S.B., and Jonnalagadda, S.B., “Characteristics of MOF, MWCNT and Graphene Containing Materials for Hydrogen Storage: A Review”, Journal of Energy Chemistry, Vol. 30, pp.132-144. 2019.
  10. Durbin, D.J., and Malardier-Jugroot, C., “Review of Hydrogen Storage Techniques for on Board Vehicle Applications”, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 38, No. 34, pp. 14595-14617, 2013.
  11. Krishna, R., Titus, E., Salimian, M., Okhay, O., Rajendran, S., Rajkumar, A., Sousa, J.M.G., Ferreira, A.L.C., Gil, J.C., and Gracio, J., Hydrogen Storage For Energy Application, IntechOpen, Rijeka, 2012.
  12. Prabhukhot Prachi, R., Wagh Mahesh, M., and Gangal Aneesh, C., “A Review On Solid State Hydrogen Storage Material”, Advances in Energy and Power, Vol. 4, No. 2, pp. 11–22, 2016.
  13. Li, X., Yang, X., Xue, H., Pang, H. and Xu, Q., “Metal–Organic Frameworks As A Platform For Clean Energy Applications”, EnergyChem, Vol. 2, No. 2, pp. 100027, 2020.
  14. Dehestani, M., Zeidabadinejad, L., and Pourestarabadi, S.,"Density Functional Theory Calculation on Improving the Photocatalytic Properties of Zinc Oxide and Cadmium Sulfide by Hybridization with Metal-Organic Framework "Journal of Advanced Materials in Engineering (Esteghlal), Vol. 34, No. 4, pp. 107–113, 2016.
  15. Hwang, H.T., and Varma, A., “Hydrogen Storage for Fuel Cell Vehicles”, Current Opinion in Chemical Engineering, Vol. 5, No. 1, pp.42-48. 2014.
  16. Hirscher, M., Yartys, V.A., Baricco, M., Von Colbe, J.B., Blanchard, D., Bowman Jr, R.C., Broom, D.P., Buckley, C.E., Chang, F., Chen, P., and Cho, Y.W., 2020. “Materials for Hydrogen-Based Energy Storage–Past, Recent Progress And Future Outlook”, Journal of Alloys and Compounds ,Vol. 827, pp. 153548.
  17. Hu, Y.H., and Zhang, L., “Hydrogen Storage in Metal–Organic Frameworks” Advanced Materials, Vol. 22, No. 20, pp. 117-130, 2010.
  18. Saha, D., Wei, Z., and Deng, S., “Equilibrium, Kinetics and Enthalpy of Hydrogen Adsorption in MOF-177”. International journal of hydrogen energy, Vol. 33, No. 24, pp. 7479-7488, 2008.
  19. Rosi, N.L., Eckert, J., Eddaoudi, M., Vodak, D.T., Kim, J., O'Keeffe, M. and Yaghi, O.M.,. “Hydrogen Storage in Microporous Metal-Organic Frameworks”, Science, Vol. 300, No. 5622, pp.1127-1129, 2003.
  20. Biserčić, M.S., Marjanović, B., Zasońska, B.A., Stojadinović, S., and Ćirić-Marjanović, G., “Novel Microporous Composites of MOF-5 And Polyaniline with High Specific Surface Area”, Synthetic Metals, 262, pp.116348. 2020.
  21. Chen, G., Luo, J., Cai, M., Qin, L., Wang, Y., Gao, L., Huang, P., Yu, Y., Ding, Y., Dong, X. and Yin, X., “Investigation of Metal-Organic Framework-5 (MOF-5) As an Antitumor Drug Oridonin Sustained Release Carrier”,Molecules, Vol. 24, No. 18, pp.3369, 2019.
  22. Augustus, E.N., Nimibofa, A., Kesiye, I.A., and Donbebe, W.,“Metal-Organic Frameworks as Novel Adsorbents: A Preview”. American J. of Environmental Protection, Vol. 5, No. 2 , pp. 61-67,
  23. McKinstry, C., Cathcart, R.J., Cussen, E.J., Fletcher, A.J., Patwardhan, S.V., and Sefcik, J., “Scalable Continuous Solvothermal Synthesis of Metal Organic Framework (MOF-5) Crystals”, Chemical Engineering Journal, Vol. 285, pp.718-725, 2016.
  24. Li, J., Cheng, S., Zhao, Q., Long, P. and Dong, J., “Synthesis And Hydrogen-Storage Behavior of Metal–Organic Framework MOF-5”.International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 34, No. 3, pp. 1377-1382, 2009.
  25. Othman, S.Z., Misran, H., Affendy, W.A. and Mahadi, N.F., “Effect of Synthesis Methods Using Renewable PODFA on Structural Characteristics of Metal-Organic Framework (MOF-5)”. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Vol. 32, No. 1, pp. 012060. 2016
  26. Chen, B., Wang, X., Zhang, Q., Xi, X., Cai, J., Qi, H., Shi, S., Wang, J., Yuan, D. and Fang, M.,. “Synthesis and characterization of the interpenetrated MOF-5”. Journal of Materials Chemistry, Vol. 20, No. 18, pp. 3758-3767, 2010.
  27. Thomas, K.M.,“Adsorption and Desorption of Hydrogen on Metal–Organic Framework Materials for Storage Applications: Comparison with Other Nanoporous Materials”. Dalton transactions, Vol. 9, pp. 1487-1505. 2009.
  28. Zhao, H., Song, H. and Chou, L., 2014. “Facile Synthesis of MOF-5 Structure With Large Surface Area in the Presence of Benzoyl Peroxide by Room Temperature Synthesis”, Materials Chemistry and Physics,Vol. 143, No. 3, pp. 1005-1011.
  29. Coates, J.,. “Interpretation of Infrared Spectra, A Practical Approach”. 2000
  30. Biserčić, M.S., Marjanović, B., Vasiljević, B.N., Mentus, S., Zasońska, B.A. and Ćirić-Marjanović, G., “The Quest for Optimal Water Quantity in the Synthesis of Metal-Organic Framework MOF-5”. Microporous and Mesoporous Materials, Vol. 278, pp. 23-29, 2019.
  31. Tirmizi, S.A., Badshah, A., Ammad, H.M., Jawad, M., Abbas, S.M., Rana, U.A., and Khan, S.U.D.,. “Synthesis of Highly Stable Mof-5@ Mwcnts Nanocomposite with Improved Hydrophobic Properties”. Arabian Journal of Chemistry, Vol. 11, No.1, pp. 26-33, 2018.
  32. Lee, S.Y., and Park, S.J., “Effect of Platinum Doping of Activated Carbon on Hydrogen Storage Behaviors of Metal-Organic Frameworks-5”. International journal of hydrogen energy,Vol. 36, No. 14, pp. 8381-8387. 2011
  33. Sabo, M., Henschel, A., Fröde, H., Klemm, E. and Kaskel, S.,. “Solution Infiltration of Palladium into MOF-5: Synthesis, Physisorption and Catalytic Properties”. Journal of Materials Chemistry, Vol. 17, No. 36, pp. 3827-3832, 2007.
  34. Yang, S.J., Cho, J.H., Nahm, K.S. and Park, C.R., “Enhanced Hydrogen Storage Capacity of Pt-Loaded CNT@ MOF-5 Hybrid Composites”, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 35, No. 23, pp.13062-13067,

 

 

مواد پیشرفته در مهندسی
دوره 41، شماره 2
شهریور 1401
صفحه 17-36

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

ارتقاء امنیت وب با وف ایرانی