Computational investigation of mxene family for different CO2/H2 mixture adsorption processes: VSA, PSA, TSA, VTSA and PTSA

Abstract

CO2'nin H2'den ayrılması, petrol arıtma ve hidrojen, metanol veya amonyak üretimi alanında çok önemli bir süreçtir. Ayrıca, CO2 bir sera gazı olarak sınıflandırılır ve bu bileşiğin Dünya atmosferinde hızlandırılmış birikimi küresel ısınma olgusundan sorumludur. Artan bu eğilim, sadece doğal afetlerin ortaya çıkmasına katkıda bulunmakla kalmaz, aynı zamanda çeşitli yaşam biçimleri için önemli bir tehdit oluşturur. Bu nedenle, CO2'in sentez gazı, doğal gaz ve biyokütle dahil olmak üzere endüstriyel gaz akışlarından uzaklaştırmak gereklidir. Bu amaçla çeşitli ayırma işlemleri kullanılabilir; ancak adsorpsiyon, tersine çevrilebilir doğası ve üstün ayırma kapasitesi nedeniyle ağırlıklı olarak tercih edilir. 2011 yılında ilk üye Ti3C2Tx'in keşfedilmesiyle başlayan MXenes'in üstün özellikleri, geniş uygulama yelpazesinde büyük ilgi uyandırdı. Bu malzemeler, gaz ayırma uygulamaları için oldukça umut verici adaylar olarak kabul edilmiştir. Bu çalışmada amacımız, 730 üyeden oluşan özgün Mxene ailesinin moleküler simülasyonlar yoluyla ayırma performanslarını araştırmaktır. CO2/H2 adsorpsiyonuna dayalı ayırmaya odaklanıldı. Çeşitli adsorpsiyon süreçlerinde olağanüstü performans sergileyen ilk 10 Mxene yapısına bakıldığında CO2/H2 karışımı için en uygun Mxene'ler başlıca krom (Cr), molibden (Mo) ve tungsten (W) içerir. CO2/H2 adsorpsiyon seçicilikleri ve %R karşılaştırıldığında, Mxene ailesinin COF ailesine göre üstün performans gösterdiği gözlemlenmiştir. Ayrıca, bu aile içindeki önemli sayıda Mxene yapısı, hem PSA hem de VSA koşulları altında MOF ailesine kıyasla R%?%85 kriterlerini aşmaktadır. Son olarak, Mxene adsorbanlarının performansı hem sıcaklık hem de basınçtaki değişimden etkilenmektedir ki bu da çeşitli adsorpsiyon proseslerine uygunluğunu göstermektedir. Bu tezden elde edilen bulgular, Mxene ailesinin yeni bir adsorban malzemesi olarak uygulanmasında çok önemli bir rol oynayacak ve deneysel araştırmaların ilerlemesine ilişkin değerli bilgiler sağlayacaktır.The separation of CO2 from H2 is a crucial process in the field of petroleum refining and the production of hydrogen, methanol, or ammonia. Furthermore, CO2 is classified as a greenhouse gas, and the accelerated accumulation of this compound within the Earth's atmosphere is responsible for the phenomenon of global warming. This escalating trend not only contributes to the occurrence of natural disasters but also poses a significant threat to various forms of life. Hence, it is imperative to eliminate CO2 from industrial gas streams, including syngas, natural gas, and biomass. Various separation processes can be employed for this purpose; however, adsorption is predominantly favored owing to its reversible nature and superior separation capacity. The exceptional properties of MXene nanomaterials, starting with the discovery of the first member Ti3C2Tx in 2011, have generated significant interest in a wide range of applications. These materials have been acknowledged as highly promising candidates for applications in gas separation. In this study, our objective was to investigate the separation performances of the blooming MXene family, consisting of 730 members, through molecular simulations. The following list enumerates the top 10 MXene structures that have demonstrated exceptional performance in various adsorption processes. The most optimal MXenes for the CO2/H2 mixture primarily comprise chromium (Cr), molybdenum (Mo), and tungsten (W). When comparing the selectivities of CO2/H2 adsorption and %R, it is observed that the MXene family demonstrates superior performance compared to the COF family. Furthermore, a significant number of MXene structures within this family surpass the criteria of R%?85% in comparison to the MOF family, under both PSA and VSA conditions. Finally, the performance of MXene adsorbents was affected by the alteration of both temperature and pressure, which enable them to be used in different adsorption processes. The findings derived from this thesis will play a crucial role in the application of the MXene family as a novel adsorbent material and will provide valuable insights into the advancement of experimental investigations.