Ημερολόγιο Παρουσιάσεων

ΑΝΑΚΟΙΝΩΣΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ

Όνοματεπώνυμο Φοιτητή: Αντώνιος Νικόλαος Ιωάννου

Α.Μ.: 2021050025

Ημερομηνία Παρουσίασης: 05/10/2026

Ώρα: 16:00

Αίθουσα: https://tuc-gr.zoom.us/j/98134442722?pwd=hPjuHfIE6f9JvrrnpPOJtbf31HUt3X.1

Θέμα ΔE «ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΛΛΟ-ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ (MOFs) ΖΙΡΚΟΝΙΟΥ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ»

Title «SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF ZR-BASED METAL–ORGANIC FRAMEWORKS (MOFs) FOR HYDROGEN STORAGE APPLICATIONS»

Επιβλέπων: Δρ. Δημήτρης Γουρνής

Τριμελής Εξεταστική Επιτροπή:

1 Δρ. Δημήτριος Γουρνής

2 Δρ. Θεόδωρος Στεριώτης

3 Δρ. Ιωάννης Γεντεκάκης

Περίληψη:

Η αξιοποίηση του υδρογόνου (H₂) ως φορέα καθαρής ενέργειας περιορίζεται από τη χαμηλή ογκομετρική του πυκνότητα, καθώς οι συμβατικές μέθοδοι αποθήκευσης, όπως η συμπίεση σε υψηλές πιέσεις και η κρυογονική υγροποίηση, απαιτούν σημαντική κατανάλωση ενέργειας και σύνθετες υποδομές. Η φυσική προσρόφηση του H₂ σε Μεταλλο-Οργανικά Πλαίσια (MOFs) αποτελεί εναλλακτική προσέγγιση, ωστόσο η χρήση τους ως μικροκρυσταλλικές σκόνες συνεπάγεται χαμηλή φαινομενική πυκνότητα και διασωματιδιακά κενά, περιορίζοντας την ογκομετρική χωρητικότητα.

Η παρούσα διπλωματική εργασία μελετά την επίδραση της επιμήκυνσης του οργανικού συνδέτη, μέσω ισοδικτυωτού σχεδιασμού, στη σειρά Zr-MOFs UiO-66, UiO-67 και BUT-30, καθώς και την επίδραση της μετατροπής των υλικών από σκόνες σε συμπαγείς μονόλιθους στην αποθήκευση H₂. Τα υλικά συντέθηκαν διαλυτοθερμικά και χαρακτηρίστηκαν με PXRD, TGA, SEM και προσρόφηση N₂ στους 77 K. Η αποθήκευση H₂ αξιολογήθηκε με τη μέθοδο Sieverts σε πιέσεις έως 100 bar και θερμοκρασίες 77, 120 και 160 K.

Η επιμήκυνση του συνδέτη οδήγησε σε αύξηση της ειδικής επιφάνειας BET από 1334 m²/g για το UiO-66 σε 2599 m²/g για το UiO-67 και 2844 m²/g για το BUT-30, ενώ όλα τα υλικά παρουσίασαν υψηλή θερμική σταθερότητα. Η μονολιθοποίηση του UiO-67 περιόρισε τα διασωματιδιακά κενά και διατήρησε σε μεγάλο βαθμό τη μικροπορώδη δομή, με BET 2674 m²/g. Αντίθετα, το BUT-30 παρουσίασε μερική αμορφοποίηση και μικρή μείωση της ειδικής επιφάνειας.

Στους 77 K και 100 bar, το UiO-67 εμφάνισε προσρόφηση H₂ 7,1 wt% στη μορφή σκόνης και 7,8 wt% ως μονόλιθος, υπερβαίνοντας τον στόχο του DOE των 6,5 wt%. Η ογκομετρική χωρητικότητα ήταν 45,5 g/L για τη σκόνη και 43,7 g/L για τον μονόλιθο. Συνολικά, τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι η μονολιθοποίηση μπορεί να διατηρήσει τις ιδιότητες των MOFs, ενώ η αποτελεσματικότητά της εξαρτάται από τη χημεία του συνδέτη και τη μορφολογία των κρυσταλλιτών.

Abstract:

The integration of hydrogen into the future energy system is critically constrained by the technological challenges associated with hydrogen storage, particularly the fundamental trade-off between gravimetric and volumetric energy density. Physical adsorption in Metal-Organic Frameworks (MOFs) offers a viable, low-pressure alternative to 700-bar compression and cryogenic liquefaction. However, conventional MOF powders exhibit low packing densities and extensive interparticle voids, which limit their practical volumetric storage capacity.

This diploma thesis investigates the hydrogen storage performance of an isoreticular series of zirconium-based MOFs: UiO-66, UiO-67, and BUT-30, evaluating both the systematic extension of the organic linker (bdc, bpdc, and eddb) and the effect of monolithic shaping. The synthesized materials were comprehensively characterized using Powder X-ray Diffraction (PXRD), Thermogravimetric Analysis (TGA), Scanning Electron Microscopy (SEM), and nitrogen porosimetry at 77 K. High-pressure hydrogen adsorption isotherms were measured up to 100 bar at 77 K, 120 K, and 160 K using an automated volumetric Sieverts apparatus (PCTPro-2000) coupled with in-situ helium pycnometry.

The isoreticular linker expansion progressively enhanced the BET specific surface area from 1334 m2/g (UiO-66) to 2599 m2/g (UiO-67) and 2844 m2/g (BUT-30), while preserving the fcu topology and high thermal stability (>400 oC). The monolithization of UiO-67 successfully eliminated interparticle voids and induced hierarchical mesoporosity without compromising the intrinsic microporosity (2674 m2/g). Conversely, BUT-30 monolithization resulted in partial surface amorphization, emphasizing the sensitivity of shaping protocols to linker mechanics and initial crystallite size. At 77 K and 100 bar, UiO-67 exhibited exceptional total gravimetric capacities of 7,8 wt% (monolith) and 7,1 wt% (powder) with deliverable volumetric capacities of 43,7 g/L and 45,5 g/L (5-100 bar) respectively. Overall, this work demonstrates that tailored densification of Zr-MOFs can preserve adsorption performance while advancing the engineering design of compact, cryo-adsorptive hydrogen storage systems.