A major problem of our time is the environmental impact and socio-economic consequences of greenhouse gases, caused mainly by burning fossil fuels. In this context, hybrid porous materials known as MOFs have been investigated both experimentally and computationally for CO2 adsorption, among many other applications. The large number of atoms, however, is an obstacle to computationally expensive methods. This work evaluates the performance of semi-empirical quantum methods (usually applied only to treat organic and biological compounds) in the description of CO2 adsorption process for IRMOF-74 series. The AM1, PM3 PM6 and PM7 methods were used in the description of 72 structures, and the impact of MOZYME algorithm in calculation was also evaluated. Chemical and geometrical properties of the system were estimated considering the presence or absence of water in the structure, variations in CO2 concentration in the unit cell, primary and secondary sites occupancy, and different metal ions in the structure. The results were compared with experimental data and computational estimates obtained by DFT, emphasizing the importance of correction for dispersion forces in energy calculations. The presence of open-shell metal ions affect the calculations, but PM6 and PM7 methods are able to reproduce the geometric structure of MOFs, found that the presence of water hinders CO2 adsorption, detected the primary and secondary adsorption sites, providing estimates for the binding energy comparable to that of the most widespread computational methods and in agreement with experimental data. / Um grande problema da atualidade é o impacto ambiental e as consequências socioeconômicas decorrentes da emissão de gases, causada principalmente pela queima de combustíveis fósseis. Nesse contexto, os materiais porosos híbridos conhecidos como MOFs têm sido estudados tanto experimentalmente quanto computacionalmente para adsorção de CO2, dentre várias outras aplicações. O grande número de átomos, no entanto, é um obstáculo para métodos custosos computacionalmente. Este trabalho avalia o desempenho de métodos semiempíricos (geralmente utilizados apenas para tratar compostos orgânicos e biológicos) na descrição do processo de adsorção de CO2 pela série IRMOF-74. Os métodos AM1, PM3, PM6 e PM7 foram utilizados na descrição de até 72 estruturas, avaliando também o impacto do algoritmo MOZYME nos cálculos. Foram estimadas propriedades químicas e geométricas do sistema considerando a presença ou ausência de água na estrutura, variações na quantidade de CO2 na célula unitária, ocupação de sítios primários e secundários, e diferentes íons metálicos na estrutura. Os resultados foram comparados com dados experimentais e com estimativas computacionais obtidas por DFT, enfatizando a importância de correções para forças de dispersão nos cálculos de energia. A presença de íons metálicos com camada incompleta prejudica os cálculos, porém os métodos PM6 e PM7 reproduziram bem a estrutura cristalográfica das MOFs, identificaram que a presença de água dificulta a adsorção de CO2, detectaram os sítios de adsorção primário e secundário, obtendo estimativas para a energia de ligação comparáveis às dos métodos computacionais mais difundidos e em concordância com dados experimentais.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:ri.ufs.br:riufs/3482 |
| Date | 23 February 2016 |
| Creators | Daniel, Carlos Raphael Araújo |
| Contributors | Costa Júnior, Nivan Bezerra da |
| Publisher | Universidade Federal de Sergipe, Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, UFS, Brasil |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFS, instname:Universidade Federal de Sergipe, instacron:UFS |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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