Transport of Polar Molecules Across Solid/Gas Interfaces

Nær sagt alle industrielle prosesser involverer transport. Transport av termisk energi (varme), masse, ladning, eller en kombinasjon av disse har stor betydning for hvordan destillasjonkolonner, kjemiske reaktorer eller membranenheter fungerer. For best å utnytte kapasiteten, og optimalisere ytelse og energieffektivitet i prosessenheter, må transportprosessene forstås på molekyl-nivå. I dette prosjektet vil vi fokusere på transport og separasjonsegenskapene ved den eksterne overflaten på metall-organiske gitterstrukturer. Metall-organiske gitterstrukturer (MOFs), er en ny type mikroporøse materialer. Det finne en enorm mengde forskjellige strukturer, som alle er relativt enkle å framstille i laboratoriet. Det er også mulig å modifisere selve strukturen, og dermed legge til egenskaper som man ønsker for en spesiell oppgave. En mulig anvendelse for MOFs er CO2 fangst fra eksos-gass, men også mange andre typer gass-separasjon og katalytiske anvendelser blir studert. Vi vil fokusere på strukturen kjent som MOF-74 og amin-utvidet MOF-74, en struktur med heksagonale kanaler der metal-atomene i strukturen er direkte tilgjengelige. De åpne metallene interagerer sterkt med CO2 og andre polar molekyler. Strukturen er godt kjent, og har blitt framstilt med vanlige metaller, som magnesium, sink, kobolt, nikkel og jern. Dette gir oss mulighet til å studere flere relaterte materialer. Den amin-utvidede strukturen har i tillegg en svært spesiell fase-endrings mekanisme som kan bistå i å fange CO2. Aminene organiserer seg systematisk, og gjør at strukturen får svært gode egenskaper for å fange CO2, men ikke nitrogen. En nærmere beskrivelse av dette materialet ble nydelig publiser i Nature, der resultater fra dette prosjektet ble brukt for å forstå denne spesielle mekanismen. For å kunne lage presise modeller er det nødvendig å ha en grunnleggende forståelse av hvordan molekyler adsorberes på overflaten av en MOF, og hvordan de transporteres inn i selve krystall strukturen. I dette prosjektet vil vi bruke molekyl modellerings teknikker for å forstå hvordan molekyler kan adsorberes in porøse materialer. Vi ønsker særlig å forstå hvorfor amin-utvidet MOF-74 kan ha denne høye selektiviteten for CO2, men ikke nitrogen, noe som er nødvendig for å kunne benytte dette materialet kommersielt i CO2-fangst.

Interfaces are important in many transport- and adsorption processes, separating the gas phase, from the adsorbate phase. Since the interface is on a molecular scale, different methods must be applied to study transport at this level. Important details at the interface is usually not captured by experiments, as the spatial and temporal resolution of the equipment is too low. In this project we will study thermodynamics and transport at the solid/gas interface. This will be done using molecular simulations with classical force fields. Quantum mechanical simulations will be used to determine interaction parameters of the solid/gas interface. With a force field describing the interaction at the interface, non-equilibrium molecular dynamics simulations can be used to obtain transport coefficients, and determine the resistance to the transport of heat and mass across the solid/gas interface. The molecules whose transport properties will be studied, CO2 and water, have a quadrupole moment and a dipole moment re spectively. Electrostatic interactions at the solid/gas interface are expected to be important. The solid interface will be that of selected metal-organic frameworks (MOFs), which are nanoporous materials with great interest for the next generation Carbon Capture and Sequestration (CCS). The structure of MOFs allow molecules to adsorb both on the external surface and inside the channels, cages and/or intersections in the material. Transport mechanisms across the solid/gas interface depend on molecular sca le properties, and to get a detailed understanding of these mechanisms, numerical simulations are necessary.