用于碳捕集的金属取代MOFs的热力学筛选
材料科学
2016-03-11 v1 计算物理
摘要
金属有机框架（MOFs）因其高CO2吸附量和可调性质，已成为碳捕集应用中有前景的材料。在众多可能的MOF中，基于M-DOBDC和M-HKUST-1的金属取代化合物在烟气典型的低压下展现出最高的CO2吸附量之一。在此，我们通过计算筛选36种金属取代变体（M = Be, Mg, Ca, Sr, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, W, Sn, Pb），根据其CO2吸附焓 H (T=300K)，探索这些化合物进一步性能调控的可能性。基于范德华密度泛函理论（vdW-DF）的超晶胞计算给出的焓与实验测量吻合良好，优于半经验（DFT-D2）和常规（LDA和GGA）泛函。我们的筛选确定了13种 H 值位于目标热力学窗口 40 H 75 kJ/mol 内的化合物：8种基于M-DODBC（M=Mg, Ca, Sr, Sc, Ti, V, Mo, W），5种基于M-HKUST-1（M= Be, Mg, Ca, Sr, Sc）。我们考察了结构构建单元的电子结构和几何形状的变化，并用以合理化CO2亲和力的趋势。特别地，配位不饱和金属位点上的部分电荷被发现与 H 相关，表明该性质可用作简单的性能描述符。快速区分有前景的MOF与那些“热力学死胡同”的能力，将有助于引导合成工作朝向有前景的化合物。
引用
@article{arxiv.1603.03192,
title = {Thermodynamic Screening of Metal-Substituted MOFs for Carbon Capture},
author = {Hyun Seung Koh and Malay Kumar Rana and Jinhyung Hwang and Donald J. Siegel},
journal= {arXiv preprint arXiv:1603.03192},
year = {2016}
}