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Comparing GGA, GGA+U, and meta-GGA functionals for redox-dependent binding at open metal sites in metal–organic frameworks

密度泛函理论 金属 亲缘关系 化学物理 氧化还原 化学 氧化物 分子 过渡金属 结合能 化学吸附 计算化学 材料科学 吸附 物理化学 催化作用 物理 无机化学 立体化学 量子力学 有机化学
作者
Andrew Rosen,Justin M. Notestein,Randall Q. Snurr
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:152 (22) 被引量:29
标识
DOI:10.1063/5.0010166
摘要

Metal–organic frameworks (MOFs) with open metal sites have been widely investigated for the selective adsorption of small molecules via redox mechanisms where charge transfer can take place between the binding site and the adsorbate of interest. Quantum-chemical screening methods based on density functional theory have emerged as a promising route to accelerate the discovery of MOFs with enhanced binding affinities toward various adsorbates. However, the success of this approach is linked to the accuracy of the underlying density functional approximations (DFAs). In this work, we compare commonly used generalized gradient approximation (GGA), GGA+U, and meta-GGA exchange-correlation functionals in modeling redox-dependent binding at open metal sites in MOFs using O2 and N2 as representative small molecules. We find that the self-interaction error inherent to the widely used Perdew, Burke, and Ernzerhof (PBE) GGA predicts metal sites that are artificially redox-active, as evidenced by their strong binding affinities, short metal–adsorbate bond distances, and large degree of charge transfer. The incorporation of metal-specific, empirical Hubbard U corrections based on the transition metal oxide literature systematically reduces the redox activity of the open metal sites, often improving agreement with experiment. Additionally, the binding behavior shifts from strong chemisorption to weaker physisorption as a function of U. The M06-L meta-GGA typically predicts binding energies between those of PBE-D3(BJ) and PBE-D3(BJ)+U when using empirically derived U values from the transition metal oxide literature. Despite the strong sensitivity of the binding affinities toward a given DFA, the GGA, GGA+U, and meta-GGA approaches often yield the same qualitative trends and structure–property relationships.

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