Dioxygen binding to Fe-MOF-74: microscopic insights from periodic QM/MM calculations

化学 洋葱 密度泛函理论 QM/毫米 结合能 离子 计算化学 铁质 水溶液中的金属离子 金属 金属有机骨架 物理化学 分子 分子动力学 吸附 原子物理学 有机化学 物理
作者
Adhitya Mangala Putra Moeljadi,Rochus Schmid,Hajime Hirao
出处
期刊:Canadian Journal of Chemistry [NRC Research Press]
卷期号:94 (12): 1144-1150 被引量:25
标识
DOI:10.1139/cjc-2016-0284
摘要

Accurate MOF-FF parameter sets were determined for the ferrous and ferric forms of an iron-based metal–organic framework (MOF) called Fe-MOF-74. For this purpose, density functional theory (DFT) calculations were applied to truncated cluster models of Fe-MOF-74, and the DFT-calculated geometries and energy derivatives were used for the force-field parameterization. The resultant parameter sets performed remarkably well in reproducing the experimentally determined structure of the MOF. We also performed periodic quantum mechanics (QM) / molecular mechanics (MM) calculations employing a subtractive scheme called ONIOM, with the optimized MOF-FF parameters used for the MM calculations, in an attempt to evaluate the binding energies between O 2 and several Fe-MOF-74 variants. The calculated binding energy for Fe-MOF-74 agreed very well with the experimental value, and QM/MM geometry optimization calculations confirmed that the O 2 -bound complex has a side-on geometry. Our calculations also predicted that, when the two neighboring iron ions around the O 2 -binding site are replaced with other metal ions (Mg 2+ , Ni 2+ , Zn 2+ , Co 2+ , or Mn 2+ ), there are noticeable variations in the binding energy, indicating that these substituted metal ions affect the O 2 binding indirectly.
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