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Small-Molecule Adsorption in Open-Site Metal–Organic Frameworks: A Systematic Density Functional Theory Study for Rational Design

吸附 密度泛函理论 等结构 范德瓦尔斯力 分子 金属有机骨架 化学 过渡金属 金属 化学物理 烟气 物理化学 计算化学 热力学 结晶学 有机化学 催化作用 晶体结构 物理
作者
Kyuho Lee,Joshua D. Howe,Li‐Chiang Lin,Berend Smit,Jeffrey B. Neaton
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:27 (3): 668-678 被引量:300
标识
DOI:10.1021/cm502760q
摘要

Using density functional theory, we systematically compute and investigate the binding enthalpies of 14 different small molecules in a series of isostructural metal–organic frameworks, M-MOF-74, with M = Mg, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and Zn. The small molecules we consider include major flue-gas components, trace gases, and small hydrocarbons, i.e., H2, CO, CO2, H2O, H2S, N2, NH3, SO2, CH4, C2H2, C2H4, C2H6, C3H6, and C3H8. In total, the adsorption energetics of 140 unique systems are presented and discussed. Dispersion interactions are included by employing a nonlocal van der Waals density functional, vdW-DF2. Hubbard U corrections are applied to the localized d electrons of transition metal atoms, and the impact of such corrections is assessed quantitatively. For systems for which measured binding enthalpies have been reported, our calculations lead to excellent overall agreement with experimentally determined structures and isosteric heats of adsorption. For systems that have yet to be realized or characterized, this study provides quantitative predictions, establishes a better understanding of the role of different transition-metal cations in small-molecule binding at open-metal sites, and identifies routes for predicting potential candidates for energy-related gas-separation applications. For example, we predict that Cu-MOF-74 will exhibit selectivity of CO2 over H2O and that Mn-MOF-74 can be used to separate trace flue-gas impurities and toxic gases from gas mixtures.
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