Estudo computacional da separação de gás natural em APMOFs MOFOUR: uma abordagem integrada com DFT, monte carlo, dinâmica molecular e parametrização
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Roberta Pereira Dias
Willian Xerxes Coelho Oliveira
Willian Xerxes Coelho Oliveira
Resumo
Materiais cristalinos altamente porosos, conhecidos como Metal-Organic Frameworks (MOFs) ou Porous Coordination Polymers (PCPs), constituem uma classe de compostos com aplicações em diversas áreas. Esses materiais apresentam grande potencial para aplicações eletroquímicas, armazenamento de gases, condutividade, sensores ópticos, entre outros. A versatilidade das MOFs deve-se principalmente à possibilidade de ajustar suas características estruturais por meio da escolha de diferentes metais ou clusters metálicos, denominados Unidades de Construção Secundárias (SBUs), além de diversos ligantes orgânicos (espaçadores) durante a síntese. Uma subclasse importante, os Anion Pillared Metal-Organic Frameworks (APMOFs), incorpora ânions inorgânicos que permitem a separação de gases com base no diâmetro cinético, gerando um “efeito peneira”. Além disso, os sítios ativos presentes nesses materiais atuam como eficientes aceptores de ligações de hidrogênio, melhorando a seletividade para o gás-alvo no processo desejado. Essa adaptabilidade estrutural possibilita a produção de materiais com funções específicas. Neste trabalho, investigamos as APMOFs CrOFOUR-1-Ni e MoOFOUR-1-Ni, projetadas para a separação de gases de relevância industrial. Esses materiais foram previamente descritos na literatura e demonstraram alta seletividade e afinidade pelo CO2 em comparação com outros gases. Estudamos as interações entre CO2, N2 e CH4 — respaldadas por dados experimentais —, bem como extrapolações para outros gases como C2H6 e C3H8, e para faixas de pressão mais elevadas. Realizamos a análise da estrutura eletrônica por meio de cálculos de Teoria do Funcional da Densidade (DFT) com condições de contorno periódicas, utilizando o pacote Quantum ESPRESSO 7.2. Isso incluiu a obtenção de estruturas otimizadas, extração do parâmetro de Hubbard, análise da estrutura de bandas, densidade de estados (DOS) e densidade de estados parciais (PDOS). Em seguida, visando aprimorar a descrição dos fenômenos em simulações clássicas, realizamos a parametrização dos parâmetros de Lennard-Jones (LJ) para o molibdato. Utilizamos o software RASPA para realizar simulações clássicas de Monte Carlo, construindo isotermas de adsorção dos gases mencionados a partir de supercélulas baseadas nas estruturas otimizadas, além de calcular as entalpias de adsorção. Também analisamos misturas binárias desses gases para avaliar a seletividade das MOFs em diferentes frações molares. Adicionalmente, realizamos simulações de dinâmica molecular para investigar o comportamento molecular ao longo do tempo, utilizando ferramentas como deslocamento quadrático médio (MSD), função de distribuição radial (RDF) e função de autocorrelação das velocidades (VACF). Análises de interações não covalentes (NCI) foram conduzidas para compreender os mecanismos de seletividade e interação adsorvente–adsorbato, juntamente com cálculos de energias de adsorção em nível quântico. Por fim, as estruturas mostram potencial para adsorção das espécies como CO2 e C3H8, além de que a parametrização se faz necessária para a descrição dos sistemas na mecânica clássica.
Abstract
Highly porous crystalline materials, known as Metal-Organic Frameworks (MOFs) or Porous Coordination Polymers (PCPs), represent a class of compounds with applications across multiple fields. These materials exhibit great potential for electrochemical applications, gas storage, conductivity, optical sensing, among others. The versatility of MOFs arises primarily from the ability to tune their structural characteristics through the selection of different metals or metal clusters, known as Secondary Building Units (SBUs), along with a variety of organic linkers (spacers) during synthesis. An important subclass, the Anion Pillared Metal-Organic Frameworks (APMOFs), incorporates inorganic anions that enable gas separation based on kinetic diameter, resulting in a molecular sieving effect. Moreover, the active sites in these materials act as efficient hydrogen bond acceptors, enhancing selectivity for the target gas in the desired process. This structural adaptability enables the development of materials with specific functionalities. In this work, we investigate the APMOFs CrOFOUR-1-Ni and MoOFOUR-1-Ni, designed for the separation of industrially relevant gases. These materials have been previously reported in the literature and have demonstrated high selectivity and affinity for CO2 in comparison to other gases. We studied the interactions between CO2, N2, and CH4—supported by experimental data—as well as extrapolations to other gases such as C2H6 and C3H8, and to higher pressure ranges. We performed electronic structure analysis using periodic-boundary Density Functional Theory (DFT) calculations with the Quantum ESPRESSO 7.2 package. This included geometry optimizations, extraction of the Hubbard U parameter, and analysis of band structure, density of states (DOS), and projected density of states (PDOS). To improve the description of phenomena in classical simulations, we parametrized Lennard-Jones (LJ) parameters for molybdate. Classical Monte Carlo simulations were carried out with the RASPA software to construct adsorption isotherms for the gases mentioned, using supercells based on the optimized structures, and to compute adsorption enthalpies. Binary mixtures were also analyzed to evaluate MOF selectivity under different molar compositions. Additionally, molecular dynamics simulations were performed to investigate molecular behavior over time, employing tools such as mean squared displacement (MSD), radial distribution function (RDF), and velocity autocorrelation function (VACF). Non-covalent interaction (NCI) analyses were conducted to understand the mechanisms behind selectivity and adsorbent–adsorbate interactions, alongside quantum-level adsorption energy calculations. Finally, the structures show potential for the adsorption of species such as CO2 and C3H8, and parametrization was found to be essential for accurately describing these systems within classical mechanics.
Assunto
Físico-química, Gás natural, Gases – Absorção e adsorção, Dinâmica molecular, Funcionais de densidade, Monte Carlo, Método de
Palavras-chave
APMOFs, Adsorção de gás, DFT, Mecânica molecular, Parametrização
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