Development of wet-stable CO2 binding metal-organic materials for use in building applications

Abstract

The presented thesis delves into the development of composite materials designed for applications within the built environment, particularly focused on exhibiting the capacity to capture carbon dioxide. This research endeavor has culminated in the creation of composite materials, achieved through the amalgamation of conventional construction substances like cement, gypsum, and recycled ceramics in powdered configuration. These ingredients are adeptly combined through dry-mixing with microporous constituents hailing from the Metal Organic Framework (MOF) class, interconnected via suitable binding agents including Polyvinyl Alcohol, MethylCellulose, Ethanol, and water. Eighteen samples were prepared. This production methodology exhibits potential for upscaling through the utilization of additive 3D printing techniques, thereby enabling cost-effective fabrication of advanced monolithic structures. One of the noteworthy aspects of these composite materials is their adsorption capacity for carbon dioxide. At a temperature of 273 K, composite material consisting of recycled ceramic as its main ingredient, can adsorb 9.42 cm3 of CO2 per gram of the material. Furthermore, even at a slightly higher temperature of 298 K, it maintains a substantial adsorption capacity, capturing 4.79 cm3 g-1. This property makes it a promising candidate for carbon capture applications within the built environment. In addition to the composite mentioned above, another composite material, with Gypsum being its main ingredient, exhibits notable adsorption capabilities as well. At 273 K, this composite material adsorbs 5.65 cm3 g-1, and at 298 K, it captures 3.09 cm3 g-1. This demonstrates the versatility of the approach, as different combinations of building materials and MOFs can be tailored to meet specific requirements. The samples’ adsorption capacity at 273 K ranges from 1.72 cm3 g-1 up 9.42 cm3 g-1 while at 298 K from 0.72 cm3 g-1 up to 4.79 cm3 g-1 . Furthermore, thermal gravimetric analysis (TGA) results have indicated that all the composites are capable of withstanding temperatures higher than 200°C before experiencing structural collapse. Nevertheless, the materials containing gypsum exhibit a weight loss at around 150°C that is attributed in the dehydration of the CaSO4·2H2O. This resilience to elevated temperatures is crucial for ensuring the stability and durability of these composite materials when incorporated into various construction applications. Additionally, powder X-ray diffraction (PXRD) results have revealed that the MOFs maintain their crystallinity even after the mixing process with water and the other building materials, as well as during the formation of pellets, except of one sample. This preservation of crystalline structure in the majority of the samples is an indication to the robustness of the composite manufacturing process, ensuring that the unique adsorption properties of the MOFs are retained in the final composite materials. Overall, these composite materials represent an advancement in sustainable construction practices, offering not only exceptional carbon capture capabilities but also the ability to withstand high temperatures, all while retaining the crystalline properties of the incorporated MOFs. The introductory chapter of the thesis embarks on a comprehensive review, elucidating recent strides in the domain of shaping and producing MOF macro structures. This exploration extends to encompass binding materials, a facet that has remained relatively unexplored until now. However, this chapter illuminates their prospective role in catapulting MOFs toward heightened industrial applicability. The subsequent chapter delves into the intricate process of synthesizing the aforementioned composite materials. Integral to this exploration are measurements including Thermal Gravimetric Analysis (TGA) and Powder X-ray Diffraction (PXRD), both of which furnish insights into the material's structural and thermal attributes. Additionally, the chapter spotlights the results stemming from CO2 porosimetry, shedding light on the materials' efficacy in capturing carbon dioxide. In the third chapter, the thesis undertakes a rigorous life cycle assessment of a distinct MOF, namely ZIF-8. This analytical investigation encompasses diverse synthetic pathways, critically evaluating their environmental implications and overall sustainability. By scrutinizing each facet of the life cycle, from production to disposal, this chapter provides a comprehensive understanding of the ecological footprint associated with the synthesized ZIF-8s.

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.