Analysis of the Water Adsorption Mechanism in Metal–Organic Framework MIL-101(Cr) by Molecular Simulations

吸附 分子动力学 毛细管冷凝 冷凝 化学物理 氢键 分子 扩散 金属 化学 毛细管作用 材料科学 化学工程 热力学 计算化学 物理化学 物理 复合材料 有机化学 工程类
作者
Shubo Fei,Amer Alizadeh,Wei‐Lun Hsu,Jean‐Jacques Delaunay,Hirofumi Daiguji
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:125 (48): 26755-26769 被引量:44
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.1c06917
摘要

Water adsorption in MIL-101(Cr) (MIL = Materials Institute Lavoisier) was investigated by molecular simulations. Grand canonical Monte Carlo simulations were performed to understand the pore-filling processes of water in the large, medium, and small cavities of MIL-101(Cr) at different pressures. With increasing pressure, the water molecules first adsorb around unsaturated Cr atoms, forming multimolecular chains and clusters. The simulations show that capillary condensation in the medium and large cavities is complete at the relative pressures of 0.44 and 0.54, respectively. The pore-filling process in the small cavities of MIL-101(Cr) continues even at relative pressures larger than 0.56. To elucidate the confinement effect on the structural properties of water, the radial distribution functions, average hydrogen bond numbers, and order parameters are analyzed. The time evolution and diffusion properties of water molecules from the molecular dynamics simulation reveal that the stability of various sized water clusters in the small cavities plays an essential role in the pore-filling processes. The connection between multimolecular water chains and the growth of water clusters are observed on the inner surfaces of the large and medium cavities before condensation. Finally, a six-stage water adsorption mechanism in MIL-101(Cr) has been proposed.
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