Tailoring ammonia capture in MOFs and COFs: A multi‐scale and machine learning comprehensive investigation of functional group modification

吸附 密度泛函理论 表面改性 分子 功能群 量子化学 化学 计算化学 纳米技术 化学物理 材料科学 物理化学 有机化学 聚合物
作者
Georgios K. Stavroglou,Emmanuel Tylianakis,George E. Froudakis
出处
期刊:ChemPhysChem [Wiley]
卷期号:25 (7) 被引量:9
标识
DOI:10.1002/cphc.202300721
摘要

Abstract Our study aims to examine the impact of ligand functionalization on the ammonia adsorption properties of MOFs and COFs, by combining multi‐scale calculations with machine learning techniques. Density Functional Theory calculations were performed to investigate the interactions between ammonia (NH 3 ) and a comprehensive set of 48 strategically chosen functional groups. In all of the cases, it is observed that functionalized rings exhibit a stronger interaction with ammonia molecule compared to unfunctionalized benzene, while −O 2 Mg demonstrates the highest interaction energy with ammonia (15 times stronger than the bare benzene). The trend obtained from the thorough DFT screening is verified via Grand Canonical Monte‐Carlo calculations by employing interatomic potentials derived from quantum chemical calculations. Isosteric heat of adsorption plots provide a comprehensive elucidation of the adsorption process, and important insights can be taken for studies in fine‐tuning materials for ammonia adsorption. Furthermore, a proof of concept machine learning (ML) analysis is conducted, which demonstrates that ML can accurately predict NH 3 binding energies despite the limited amount of data. The findings derived from our multi‐scale methodology indicate that the functionalization strategy can be utilized to guide synthesis towards MOFs, COFs, or other porous materials for enhanced NH 3 adsorption capacity.
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