Tuning Binding Tendencies of Small Molecules in Metal–Organic Frameworks with Open Metal Sites by Metal Substitution and Linker Functionalization

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作者
Wenqin You,Yang Liu,Joshua D. Howe,Dai Tang,David S. Sholl
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:122 (48): 27486-27494 被引量:46
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.8b08855
摘要

Metal–organic frameworks (MOFs) with open metal sites (OMS) are known to be selective for ethylene relative to ethane. In practical applications of this separation, the presence of other small molecules such as H 2 O, CO, and C 2 H 2 may affect the suitability of sorbents. We used density functional theory (DFT) calculations to compute the binding energies of H 2 O, CO, C 2 H 2, C 2 H 4, and C 2 H 6 in M-BTC (BTC = 1,3,5-benzenetricarboxylic acid) with 12 different metals forming OMS (M = Mg, Ti, V, Cr, Mo, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Cu, and Zn). To probe the generality of these results for MOFs containing other ligands, we performed similar calculations for metal-substituted MOFs based on four more materials with dimeric Cu sites. Our results provide useful insights into the variations in binding energies that are achievable by metal substitution in this broad class of MOFs, as well as pointing toward feasible adsorption-based separation strategies for complex molecular mixtures. Zn OMS MOFs were predicted to have the highest C 2 H 4 /C 2 H 6 selectivity, but the strong binding energy of solvents and other small molecules in these materials may create practical challenges. We used DFT calculations to examine whether functionalizing linkers in these materials with electron withdrawing (−fluorine) and donating (−methyl) groups offer a useful way to tune molecular binding energies on OMS in these materials.

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