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A DFT study on the selective adsorption and separation of CO2/CH4 on the Mg-decorated 2-D covalent organic framework (COF-5)

化学 物理吸附 共价有机骨架 范德瓦尔斯力 吸附 微型多孔材料 共价键 分子 甲烷 密度泛函理论 选择性 化学工程 热稳定性 有机化学 计算化学 工程类 催化作用
作者
Yang Chun-jie,E. Jafari
出处
期刊:Journal of the Indian Chemical Society [Elsevier BV]
卷期号:100 (3): 100949-100949 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.jics.2023.100949
摘要

Covalent organic frameworks (COFs), an emerging class of crystalline polymeric materials, have garnered growing interest due to their ideal chemical and thermal stability and ordered microporous architectures, which make them effective agents for selective CH4/CO2 separation. In this work, adsorption and separation of methane and carbon dioxide molecules on the two-dimensional pristine and Mg-decorated COF-5 (MgCOF-5) was investigated using density functional theory, employing B3LYP. Both CH4 and CO2 molecules were found to weakly adsorbed through van der Waals interactions to the bare sheet via physisorption, releasing energies ranging from -3.8 to -5.6 and -8.7 to 12.8, respectively and the sheet's electrical characteristics don't alter all that much. To overcome this weak selectivity/sensitivity, multiple Mg atoms were decorated atop aromatic rings of COF-5. Our results show that up to four CO2 molecules can be adsorbed on each Mg atom exothermically, whereas Ead of CH4 is near zero so the theoretical CO2 capacity of a full Mg-covered sheet is 0.51 gCO2/g MgCOF-5. Also, the decorating of Mg atoms on the surface of COF-5 induces certain changes in the sheet's electrical characteristics and that the sheet's Eg changes up to 80% following the adsorption of several CO2 molecules, making it a potential candidate for CO2 detection.

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