Development of wet-stable CO2 binding metal-organic materials for use in building applications
Authors: Ντούρος Βασίλειος 
Published: December 2023

Η παρούσα διατριβή ασχολείται με την ανάπτυξη σύνθετων υλικών, σχεδιασμένων για εφαρμογές στο δομημένο περιβάλλον, με ιδιαίτερη έμφαση στην ικανότητα δέσμευσης διοξειδίου του άνθρακα. Αυτή η ερευνητική προσπάθεια κατέληξε στη δημιουργία σύνθετων υλικών, που επιτυγχάνεται μέσω της συγχώνευσης συμβατικών δομικών υλικών όπως το τσιμέντο, ο γύψος και τα ανακυκλωμένα κεραμικά σε μορφή σκόνης. Αυτά τα συστατικά συνδυάζονται μέσω ξηρής ανάμειξης με μικροπορώδη συστατικά που ανήκουν στην κατηγορία των μεταλλικών οργανικών κατασκευών (MOF) τα οποία συγκολούνται με κατάλληλες συνδετικές ουσίες, όπως πολυβινυλική αλκοόλη (PVA), μεθυλοκυτταρίνη (MC), αιθανόλη και νερό. Παρασκευάστηκαν δεκαοκτώ δείγματα. Αυτή η μεθοδολογία παραγωγής παρουσιάζει δυνατότητες κλιμάκωσης μέσω της χρήσης τεχνικών προσθετικής τρισδιάστατης εκτύπωσης, επιτρέποντας έτσι την οικονομικά αποδοτική κατασκευή προηγμένων μονολιθικών δομών. Μια από τις αξιοσημείωτες πτυχές αυτών των σύνθετων υλικών είναι η ικανότητα προσρόφησης διοξειδίου του άνθρακα. Σε θερμοκρασία 273 K, το σύνθετο υλικό που αποτελείται από ανακυκλωμένο κεραμικό ως το κύριο συστατικό του, μπορεί να προσροφήσει 9,42 cm3 CO2 ανά γραμμάριο υλικού. Επιπλέον, ακόμη και σε ελαφρώς υψηλότερη θερμοκρασία 298 K, διατηρεί σημαντική ικανότητα προσρόφησης, δεσμεύοντας 4,79 cm3 g-1. Η ιδιότητα αυτή το καθιστά υποσχόμενο υποψήφιο υλικό για εφαρμογές δέσμευσης άνθρακα στο δομημένο περιβάλλον. Εκτός από το σύνθετο υλικό που αναφέρθηκε παραπάνω, ένα άλλο σύνθετο υλικό, αποτελούμενο από γύψο ως το κύριο συστατικό, παρουσιάζει επίσης αξιοσημείωτες ικανότητες προσρόφησης. Στους 273 K, αυτό το σύνθετο υλικό προσροφά 5,65 cm3 g-1 και στους 298 K, δεσμεύει 3,09 cm3 g-1. Αυτό καταδεικνύει την ευελιξία της προσέγγισης, καθώς διαφορετικοί συνδυασμοί δομικών υλικών και MOF μπορούν να αναπτυχθούν ώστε να ικανοποιούν συγκεκριμένες απαιτήσεις. Η ικανότητα προσρόφησης των δειγμάτων στους 273 K κυμαίνεται από 1,72 cm3 g-1 έως 9,42 cm3 g-1 , ενώ στους 298 K από 0,72 cm3 g-1 έως 4,79 cm3 g-1 . Επιπλέον, τα αποτελέσματα της θερμοβαρυμετρικής ανάλυσης (TGA) έδειξαν ότι όλα τα σύνθετα υλικά είναι ικανά να αντέξουν θερμοκρασίες υψηλότερες από 200°C πριν παρουσιάσουν δομική κατάρρευση. Ωστόσο, τα υλικά που περιέχουν γύψο παρουσιάζουν απώλεια βάρους στους 150°C περίπου, η οποία αποδίδεται στην αφυδάτωση του CaSO4·2H2O. Αυτή η ανθεκτικότητα σε υψηλές θερμοκρασίες είναι ζωτικής σημασίας για τη διασφάλιση της σταθερότητας και της ανθεκτικότητας αυτών των σύνθετων υλικών όταν ενσωματώνονται σε διάφορες κατασκευαστικές εφαρμογές. Επιπλέον, τα αποτελέσματα της περίθλασης ακτίνων Χ σε σκόνη (PXRD) αποκάλυψαν ότι τα MOF διατηρούν την κρυσταλλικότητά τους ακόμη και μετά τη διαδικασία ανάμιξης με το νερό και τα άλλα δομικά υλικά, καθώς και κατά τη διάρκεια του σχηματισμού των μονόλιθων-pellets, εκτός από ένα. Αυτή η διατήρηση της κρυσταλλικής δομής της πλειοψηφίας των δειγμάτων αποτελεί ένδειξη της ανθεκτικότητας της διαδικασίας κατασκευής σύνθετων υλικών, διασφαλίζοντας ότι οι μοναδικές ιδιότητες προσρόφησης των MOFs διατηρούνται στα τελικά σύνθετα υλικά. Συνολικά, αυτά τα σύνθετα υλικά αντιπροσωπεύουν μια σημαντική πρόοδο στις βιώσιμες κατασκευαστικές πρακτικές, προσφέροντας όχι μόνο δυνατότητες δέσμευσης άνθρακα αλλά και την ικανότητα να αντέχουν σε υψηλές θερμοκρασίες, διατηρώντας παράλληλα τις κρυσταλλικές ιδιότητες των ενσωματωμένων MOF. Στο εισαγωγικό κεφάλαιο της διατριβής γίνεται μια εκτενής ανασκόπηση, η οποία αναλύει τα πρόσφατα βήματα στον τομέα της διαμόρφωσης και παραγωγής μακροδομών MOF. Η διερεύνηση αυτή επεκτείνεται και στα συνδετικά υλικά, μια πτυχή που παρέμενε σχετικά ανεξερεύνητη μέχρι σήμερα φωτίζοντας τον μελλοντικό τους ρόλο στην κατακόρυφη εξέλιξη των MOF προς την κατεύθυνση της αυξημένης βιομηχανικής εφαρμογής. Το επόμενο κεφάλαιο εμβαθύνει στην περίπλοκη διαδικασία σύνθεσης των προαναφερθέντων σύνθετων υλικών. Αναπόσπαστο μέρος αυτής της διερεύνησης αποτελούν οι μετρήσεις, όπως η θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA) και η περίθλαση ακτίνων Χ σε σκόνη (PXRD), οι οποίες παρέχουν πληροφορίες για τα δομικά και θερμικά χαρακτηριστικά του υλικού. Επιπλέον, το κεφάλαιο προβάλλει τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την ποροσιμετρία CO2, ρίχνοντας φως στην αποτελεσματικότητα των υλικών στη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα. Στο τρίτο κεφάλαιο, η διατριβή επιχειρεί μια αυστηρή αξιολόγηση του κύκλου ζωής ενός ξεχωριστού MOF, συγκεκριμένα του ZIF-8. Αυτή η αναλυτική διερεύνηση περιλαμβάνει ποικίλες συνθετικές διαδρομές, αξιολογώντας κριτικά τις περιβαλλοντικές τους επιπτώσεις και τη συνολική βιωσιμότητά τους. Εξετάζοντας κάθε πτυχή του κύκλου ζωής, από την παραγωγή έως τη διάθεση, το κεφάλαιο αυτό παρέχει μια ολοκληρωμένη κατανόηση του οικολογικού αποτυπώματος που σχετίζεται με τα ZIF-8 των υπο παρουσίαση συνθέσεων.