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Theoretical Investigations on MIL‐100(M) (M=Cr, Sc, Fe) with High Adsorption Selectivity for Nitrogen and Carbon Dioxide over Methane

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作者
Fan Huang,Xu Zhang,Weiwei Liu,Junkuo Gao,Lu Sun
出处
期刊:Chemistry-an Asian Journal [Wiley]
卷期号:18 (1): e202200985-e202200985 被引量:6
标识
DOI:10.1002/asia.202200985
摘要

Abstract The removal of impurity gases (N 2 , CO 2 ) in natural gas is critical to the efficient use of natural gas. In this work, the selective adsorption for N 2 and CO 2 over CH 4 on MIL‐100 (M) (M= 4 Cr, 10 Cr, 6 Fe, 1 In, 1 Sc, 3 V) is studied by density functional theory (DFT) calculations. The calculated adsorption energy of the large‐size cluster model (LC) of MIL‐100 (M) shows that the 4 MIL‐100 ( 4 Cr) is the best at the refinement of natural gas due to the lower adsorption energy of CH 4 (−2.58 kJ/mol) in comparison with that of N 2 (−21.49 kJ/mol) and CO 2 (−23.82 kJ/mol). 1 MIL‐100 ( 1 Sc) and 1 MIL‐100 ( 6 Fe) can also achieve selective adsorption and follows the order 4 MIL‐100 ( 4 Cr)> 1 MIL‐100 ( 1 Sc)> 1 MIL‐100 ( 6 Fe). In the research of the selective adsorption mechanism of MIL‐100 (M) (M= 4 Cr, 1 Sc, 6 Fe), the independent gradient model (IGM) indicates that these outstanding adsorbents interact with CO 2 and N 2 mainly through the electrostatic attractive interaction, while the van der Walls interaction dominates in the interaction with CH 4. The atomic Projected Density of State (PDOS) further confirms that CH 4 contributes least to the intermolecular interaction than that of CO 2 and N 2 . Through the scrutiny of molecular orbitals, it is found that electrons transfer from the gas molecule to the metal site in the adsorption of CO 2 and N 2 . Not only does the type of the metallic orbitals, but also the delocalization of the involved orbitals determines the selective adsorption performance of MIL‐100. Both Cr and Sc share their orbitals with the gases, making 1 MIL‐100 ( 1 Sc) another potential effective separator for CH 4 . Additionally, the comparison of adsorption energy and PDOS shows that the introduction of ligands such as benzene impedes the electron donation from gas molecules (CO 2 , N 2 ) to the metal site, indicating electron‐withdrawing ligands will further favor the adsorption.
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