شماره ركورد
25171
شماره راهنما
CHE3 261
عنوان
هيدروژنهكردن كربن دياكسيد در حضور كاتاليست هاي چارچوب هاي فلز-آلي با كمك پلاسماي تخليه سد ديالكتريك
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
شيمي - معدني
دانشكده
شيمي
تاريخ دفاع
1404/07/30
صفحه شمار
99 ص .
استاد راهنما
مجيد مقدم , شهرام تنگستاني نژاد , ولي اله ميرخاني
استاد مشاور
امير لندراني اصفهاني , ايرج محمدپور بلترك
كليدواژه فارسي
هيدروژنهكردن كربن دياكسيد (CO₂) , پلاسما/كاتاليست , چارچوبهاي فلز-آلي (MOFs) , انرژي ورودي ويژه (SIE) , تخليه سد ديالكتريك (DBD)
چكيده فارسي
فناوريهاي تركيبي پلاسما/كاتاليستي بهعنوان رويكردي نوين براي بهرهبرداري از كربن دياكسيد و توليد سوختهاي پاك، چشمانداز قابلتوجهي در توسعه و تجاريسازي دارند. يكي از چالشهاي اساسي در اين زمينه، بهبود اثر همافزايي ميان پلاسما و كاتاليستها است كه ميتواند نقش تعيينكنندهاي در افزايش بازده فرايند ايفا كند. با اين حال، در حاليكه بيشتر پژوهشهاي پيشين بر طراحي تركيبهاي كاتاليستي متمركز بودهاند، مطالعهي چارچوبهاي فلز–آلي و كاربرد پلاسما سرد در اين زمينه كمتر مورد توجه قرار گرفته است. در اين پژوهش، فرايند هيدروژندار كردن كربن دي اكسيد در شرايط دما و فشار محيط با استفاده از راكتور پلاسما تخليهي سد ديالكتريك و مجموعهاي از كاتاليستهاي چارچوب فلز-آلي تكفلزيCo، Ni، Mg، Zn، دوفلزي Ni–Co، Co–Cu و ساختار 4M، همچنين كاتاليستهاي تكفلزي و دوفلزي ZIF-67 بررسي و ارزيابي شد. اين كاتاليستها با روشهاي تحليلي مختلف سنتز و مشخصهيابي گرديدند تا اثر همافزايي ميان پلاسما و ساختارهاي كاتاليستي در تبديل كربن دي اكسيد به متانول مورد مطالعه قرار گيرد. پارامترهاي عملياتي شامل سرعت جريان گاز و ولتاژ ورودي بهمنظور دستيابي به بهترين عملكرد بهينهسازي شدند. شرايط بهينه شامل سرعت جريان 60 ميليليتر بر دقيقه و ولتاژ ورودي 10 كيلوولت تعيين گرديد. در اين شرايط، كاتاليستهاي ZIF-67 تكفلزي و دوفلزي بهترتيب9/69 درصد و 3/90 درصد ميزان تبديل، 1/84 درصد و 1/98 درصد گزينشپذيري متانول و بازده انرژي 7/2 و 8/4 ميليمول بر كيلوژول ارائه كردند. در ميان خانوادهي MOF-74، Mg-MOF-74 عملكرد مطلوبي در تبديل كربن دي اكسيد و توليد متانول نشان داد، در حاليكه CoNi-MOF-74 با اثر همافزايي مناسب، مكانهاي فعال متعدد و پايداري بالا، گزينهاي مناسب براي كاربرد صنعتي تشخيص داده شد. ساختار 4M MOF-74 نيز بالاترين بازده متانول 95 درصد و بازده انرژي 0/5 ميليمول بر كيلوژول را بهدست آورد.علاوه بر اين، انرژي ورودي ويژه بهعنوان شاخص سينتيكي اندازهگيري شد و رفتار خطي آن پايداري فرايند را در شرايط عملياتي تأييد كرد. همچنين، كاتاليستها قابليت استفادهي مجدد تا شش چرخهي متوالي را بدون كاهش محسوس در عملكرد نشان دادند كه بيانگر دوام و پايداري بالاي آنهاست.
نتايج اين پژوهش نشان ميدهد كه سامانههاي تركيبي پلاسما/كاتاليستي مبتني بر چارچوبهاي فلز–آلي پيشرفته ميتوانند رويكردي مؤثر و پايدار براي تبديل CO₂ به سوختهاي باارزش مانند متانول باشند. اين دستاوردها علاوه بر اهميت علمي، ظرفيت بالايي براي كاهش انتشار گازهاي گلخانهاي و توسعهي فناوريهاي سبز و اقتصادي در توليد سوختهاي پاك فراهم ميكنند.
كليدواژه لاتين
CO₂ hydrogenation , plasma/catalyst , metal–organic frameworks (MOFs) , specific input energy (SIE) , dielectric barrier discharge (DBD)
عنوان لاتين
DBD-Plasma- Assisted Metal Organic Frameworks Catalysts for Hydrogenation of CO2
گروه آموزشي
شيمي معدني
چكيده لاتين
Hybrid plasma–catalytic technologies, as an innovative approach for CO₂ utilization and clean fuel production, hold remarkable potential for development and commercialization. One of the fundamental challenges in this field is enhancing the synergistic effect between plasma and catalysts, which can play a decisive role in improving process efficiency. However, while most previous studies have focused on designing catalytic compositions, the investigation of metal–organic frameworks (MOFs) and the use of cold plasma in this area have received comparatively less attention.
In this study, the CO₂ hydrogenation process under ambient temperature and pressure conditions was examined using a dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor and a series of single-metal MOF-74 catalysts (Co, Ni, Mg, Zn), bimetallic MOF-74 catalysts (Ni–Co, Co–Cu), a 4M MOF-74 structure, as well as single-metal and bimetallic ZIF-67 catalysts. These catalysts were synthesized and characterized using various analytical methods to investigate the synergistic effect between plasma and catalytic structures in converting CO₂ to methanol. Operational parameters, including gas flow rate and input voltage, were optimized to achieve the best performance. The optimal conditions were determined to be a flow rate of 60 mL/min and an input voltage of 10 kV.
Under these conditions, the single-metal and bimetallic ZIF-67 catalysts achieved CO₂ conversions of 9.69% and 3.90%, methanol selectivities of 1.84% and 1.98%, and energy efficiencies of 2.7 and 4.8 mmol/kJ, respectively. Among the MOF-74 family, Mg-MOF-74 exhibited favorable performance in CO₂ conversion and methanol production, while CoNi-MOF-74, with its strong synergistic effect, abundant active sites, and high stability, was identified as a promising candidate for industrial application. The 4M MOF-74 structure also achieved the highest methanol yield of 95% and an energy efficiency of 0.5 mmol/kJ.
Moreover, the specific input energy (SIE) was measured as a kinetic indicator, and its linear behavior confirmed the stability of the process under operational conditions. The catalysts also demonstrated reusability for up to six consecutive cycles without significant performance loss, indicating their durability and high stability.
The results of this study indicate that advanced MOF-based hybrid plasma–catalytic systems can serve as an effective and sustainable approach for converting CO₂ into valuable fuels such as methanol. These achievements, in addition to their scientific importance, offer substantial potential for reducing greenhouse gas emissions and advancing green, economically viable technologies for clean fuel production.
تعداد فصل ها
3
فهرست مطالب pdf
148102
نويسنده