Metal organik kafes (MOF) yapılarının sentezi ve hidrojen depolama özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, MOF-5 matrisi ile fulleren (C60) ve kusurlu C60 (K-C60) arasında oluşan arayüz etkileşimlerinin hidrojen depolama performansı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Bu amaçla farklı katkı oranlarında (%1, %2,5 ve %5) C60 ve K-C60 içeren MOF-5 tabanlı hibrit nanokompozitler hazırlanmış ve yapı–özellik–performans ilişkileri sistematik olarak değerlendirilmiştir. Yapısal analizler, fulleren katkısına rağmen MOF-5 kristal yapısının korunduğunu, buna karşılık gözenek erişilebilirliği ve adsorpsiyon ortamının enerjetik karakterinde önemli değişikliklerin meydana geldiğini göstermiştir. Hidrojen adsorpsiyon ölçümleri sonucunda saf MOF-5 örneğinin 77 K ve 104 bar koşullarında %1,80 hidrojen depoladığı belirlenirken, MOF-5/C60 (%1) ve MOF-5/K-C60 (%1) örneklerinde bu değerler sırasıyla %3,38 ve %3,35’ye ulaşmıştır. Buna karşın fulleren yüklemesinin %2,5 ve %5 seviyelerine yükseltilmesi depolama kapasitesinde azalmaya neden olmuş ve optimum performansın en yüksek katkı oranında değil, %1 yüklemede elde edildiğini göstermiştir. Bu sonuç, hidrojen depolama performansının yalnızca yüzey alanı veya katkı miktarı tarafından belirlenmediğini ortaya koymaktadır. Korelasyon analizleri, hidrojen depolama kapasitesinin özellikle mezogözenek hacmi ile ilişkili olduğunu ve mezogözeneklerin adsorpsiyon bölgelerine erişimi kolaylaştıran taşınım kanalları olarak görev yaptığını göstermiştir. İzoterm analizleri, hibrit örneklerin çoğunda Toth modelinin en yüksek R2 ve en düşük AIC değerlerini verdiğini ve adsorpsiyonun enerjetik olarak heterojen ortamlarda gerçekleştiğini ortaya koymuştur. Kinetik analizlerde pseudo-second-order modeli en yüksek uyumu sağlarken, Weber–Morris ve Avrami modelleri hidrojen adsorpsiyonunun çok aşamalı ve difüzyon katkılı bir mekanizma ile gerçekleştiğini göstermiştir. Elde edilen sonuçlar, hidrojen depolama performansının erişilebilir adsorpsiyon bölgeleri, mezogözenek destekli taşınım yolları ve MOF-5/fulleren arayüzlerinde gelişen enerji heterojenliğinin ortak etkisiyle kontrol edildiğini göstermektedir.

In this study, the effect of interfacial interactions formed between the MOF-5 matrix and fullerene (C60) as well as defective C60 (K-C60) on hydrogen storage performance was investigated. For this purpose, MOF-5-based hybrid nanocomposites containing C60 and KC60 at different loading ratios (1%, 2.5%, and 5%) were prepared, and the structure– property–performance relationships were systematically evaluated. Structural analyses showed that the crystalline structure of MOF-5 was preserved despite fullerene incorporation; however, significant changes occurred in pore accessibility and the energetic characteristics of the adsorption environment. Hydrogen adsorption measurements revealed that pure MOF-5 stored 1.80 wt% hydrogen at 77 K and 104 bar, whereas MOF-5/C60 (1%) and MOF-5/K-C60 (1%) achieved hydrogen storage capacities of 3.38 and 3.35 wt%, respectively. In contrast, increasing the fullerene loading to 2.5% and 5% resulted in a decrease in storage capacity, indicating that optimum performance was achieved at 1% loading rather than at the highest additive concentration. These findings demonstrate that hydrogen storage performance is not determined solely by surface area or additive content. Correlation analyses showed that hydrogen storage capacity is particularly associated with mesopore volume and that mesopores act as transport channels facilitating access to adsorption sites. Isotherm analyses indicated that the Toth model provided the highest R² and lowest AIC values for most hybrid samples, suggesting that adsorption occurs in energetically heterogeneous environments. Kinetic analyses showed that the pseudo-secondorder model exhibited the best fit, while the Weber–Morris and Avrami models revealed that hydrogen adsorption proceeds through a multi-stage, diffusion-assisted mechanism. The results indicate that hydrogen storage performance is governed by the combined effects of accessible adsorption sites, mesopore-assisted transport pathways, and the energy heterogeneity developed at MOF-5/fullerene interfaces