Is sustainable production of the MOFs MIL-101 and MOF-5 possible without reducing the hydrogen storage capacity of the material?

Abstract

Metal organic frameworks (MOFs) er noen av de mest lovende porøse materialene når det kommer til hydrogenlagring, hvorav to av de mest lovende er MIL-101 og MOF-5. De konvensjonelle syntesene av de to MOFene involverer bruk av høyt giftige løsemidler og de er både tids- og energikrevende, da de krever oppvarming ved høy temperatur over en lengre tidsperiode. Ulike modifikasjoner kan gjøres til de to syntesemetodene for å gjøre dem mer bærekraftige, men noen av disse modifikasjonene reduserer hydrogenlagringskapasiteten (HLK) til MOFen. Denne oppgaven undersøker om det er mulig å syntetisere MOF-5 og MIL-101 på en bærekraftig måte uten å redusere HLK til materialet. MIL-101 kan syntetiseres via en mikrobølge-assistert syntese, som er en tids- og energibesparende syntese som viser lovende resultater på lab med ivaretatt overflateareal og derfor også mest sannsynlig ivaretatt HLK. For MOF-5 har den tids- og energieffektive sonokjemiske syntesen vist seg å være lovende, med ivaretatt overflateareal og da også mest sannsynlig ivaretatt HLK. Dessverre har denne metoden et lavt utbytte, noe som senker graden av bærekraft. Å ekstrahere linkeren 1,4-benzenedicarboxylic acid (BDC) fra PET-flasker er en annen måte å øke graden av bærekraft for både syntesen av MIL-101 og MOF-5.

Metal organic frameworks (MOFs) are some of the most promising porous materials for hydrogen storage, two of the most promising being MIL-101 and MOF-5. The conventional syntheses of the two MOFs involves highly toxic solvents, and they are both time and energy consuming, as they require heating at high temperatures over a longer period of time. Different modifications can be done to the syntheses to make them more sustainable, however, some of these might reduce the hydrogen storing capacity (HSC) of the MOF. This thesis investigates whether a sustainable synthesis of MOF-5 and MIL-101 is feasible without reducing their HSC. MIL-101 can be synthesized by microwave-assisted synthesis, which is a time and energy efficient synthesis showing promising results at lab-scale with maintained surface area and therefore also most likely maintained HSC. As for MOF-5, the time and energy efficient sonochemical synthesis is the most promising, as this has a maintained surface area and therefore also most likely maintained HSC. However, this method shows a poor yield, which decreases the sustainability of the synthesis. Extracting the linker 1,4-benzenedicarboxylic acid (BDC) from PET-bottles is another way of increasing the sustainability of the syntheses of both MIL-101 and MOF-5.