通过金属取代和连接体功能化调控金属有机框架 MOF-5 的结构与电子性质
材料科学
2024-02-13 v1
摘要
金属有机框架（MOFs）的化学灵活性为针对特定应用（从气体传感到催化，从光电转换到能量存储）调控结构和组成提供了理想平台。这种可变性产生了巨大的构型空间，可利用高通量计算方法进行有效探索。在本工作中，我们从第一性原理出发，研究了通过将 Zn 替换为 Be、Mg、Cd、Ca、Sr 和 Ba，以及将原本 H 钝化的连接体功能化为 CH、NO、Cl、Br、NH、OH 和 COOH 基团所得到的 MOF-5 变体的结构和电子性质。为了构建和分析由此产生的 56 种结构，我们采用了嵌入在自主研发的自动化计算库中的密度泛函理论计算。我们的研究结果表明，结构性质主要由金属原子和大体积功能基团定义，它们会扭曲晶格并改变配位。稳定性主要受功能化影响，并因促进氢键形成的 COOH 和 OH 基团而增强。连接体内的电荷分布尤其受具有吸电子特性的功能基团影响，而金属节点的作用较小。同样，带隙大小主要由配体功能化决定。最小的带隙出现在含有 NH 和 OH 基团的情况下，它们在价带顶引入了局域轨道。这一特性使得这些功能化在设计具有增强气体吸附和传感性能的 MOF-5 变体方面特别有前景。
引用
@article{arxiv.2402.07733,
title = {Tuning Structural and Electronic Properties of Metal-Organic Framework 5 by Metal Substitution and Linker Functionalization},
author = {Joshua Edzards and Holger-Dietrich Saßnick and Julia Santana Andreo and Caterina Cocchi},
journal= {arXiv preprint arXiv:2402.07733},
year = {2024}
}