Novel materials for utilization of natural gas and hydrogen

Separasjon av gassmolekyler er en av de viktigste områder i produksjon av drivstoff, kjemikalier og mange andre industrier. Separasjon står for mer enn 30% av de totale kostnadene av sluttproduktet, gass eller kjemikalie, så et forbedret separasjonstrinn vil lede til reduserte kostnadene for produktene. Det finnes forskjellige teknikker som kan brukes for separasjon av gassmolekyler. Adsorpsjon av målrettede molekyler på spesifikke overflater er en av dem: t.o.m. vår kropp er i stand til å adsorbere oksygen selektivt fra luften hver gang vi puster. Hemmeligheten for en god og effektiv separasjon er å ha riktige materialer og en riktig måte å bruke dem (hjernen vår forteller lungene å puste raskere eller dypere når vi trenger mer oksygen). Derfor er et godt samarbeid mellom materialutviklere og prosessingeniører nødvendig. Dette prosjektet har jobbet med alle ulike utviklingsstadier av en ny klasse porøse materialer, MOF (metal-organic framework). Disse materialene er kjent for å ha et enormt overflateareal (ett gram MOF kan ha et større areal enn fotballplanen på Ullevål Stadion). Tidligere samarbeid mellom SINTEF og UiO resulterte i utviklingen av en ny type MOF materialer som kalles CPO (Coordination Polymer Oslo). Det mest kjente materialet i denne serien er CPO-27 som er blant de mest siterte materialene i vitenskapelig litteratur. Når CPO-27 syntetiseres med magnesium er det i topp-fem av alle porøse materialer med hensyn til evne å holde CO2. I det aktuelle prosjektet ble arbeidet ved UiO hovedsakelig fokusert på å utvide CPO typen av MOF materialer. De har rapportert fire nye strukturer (CPO-58, CPO-59, CPO-71 og CPO-72). Noen av disse materialene påviser interessante egenskaper som må testes ytterligere for å forstå deres fulle potensial i separasjonsprosesser. For å realisere MOF materialenes potensial har vi testet flere av disse porøse strukturene for gasseparasjon. Denne rollen ble tatt av SINTEF Materialer og kjemi. En annen MOF som er utviklet i Norge og svært godt anerkjent i litteraturen er UiO typen av MOF. I dette prosjektet har vi testet ulike UiO materialers evne til å skille karbondioksid fra naturgass. Et av disse materialene (UiO-67) har viset gode resultater og vil bli ytterligere studert. Et annet MOF materiale (UTSA-16) ble også testet for fjerning av forurensninger i hydrogenproduksjon. Materialet har vist svært gode resultater og presterer bedre enn eksisterende materialer (aktivert karbon og zeolitter). Når en MOF syntetiseres er den i pulverform. For å brukes i separasjonsprosesser kreves større partikler og dermed må MOF materialet formes. All teknologi utviklet for å danne keramiske materialer innebærer utnyttelse av høy varme som vil forårsake alvorlig skade eller ødelegge MOF materialene. Derfor trengs en ny teknologi for å forme disse materialene, og dette har vært en av de største begrensningene til kommersialiseringen av MOF materialer. Innenfor dette prosjektet har vi klart av å produsere mer enn 150 gram formet (ekstrudert) UTSA-16 materiale uten å ødelegge adsorbsjonsegenskapene. Dette arbeidet ble publisert i 2014 og er til dags dato det eneste arbeidet som rapporterer MOF ekstrudering med en reduksjon i overflateareal på mindre enn 10 %.

Metal-organic frameworks, also known as coordination polymers, have eminently promising properties regarding application as gas storage systems, sensors, magnetic materials, in ion exchange or catalysis. Recent results indicate that microporous metal-orga nic frameworks can be highly selective in which type of gas they adsorb, a property which will be highly useful to exploit in gas separation technology. The principal objective of this project is to develop MOF materials with favorable properties in stora ge and separation of natural gas (e.g. methane) and the components of synthesis gas, specifically hydrogen, and carbon monoxide. Hydrogen produced from synthesis gas is a typical source used in fuel cell technology, and the remaining CO must be removed to prevent poisoning of the fuel cell' catalyst. Natural gas is a cleaner fuel than currently used gasoline, but storage and purification processes must be developed. MOFs can be used to store large amounts of methane per volume and purify these. MOFs with catalytic ability towards natural gas or its follow up products are structurally related to those used in separation, and they will also be explored in the project.