Yüksek verimli hesaplama ve makine öğrenimi ile MOF'larda zehirli gaz adsorpsiyonunun anlaşılması

Binlerce deneysel olarak sentezlenmiş ve yüz binlerce hesaplamalı olarak üretilmiş MOF'ların arasından belirli bir uygulama için en uygun metal-organik kafeslerin (MOF'lar) belirlenmesi, giderek zorlaşmaktadır. Daha verimli gaz ayırma sistemlerine olan artan talep, daha karmaşık, zaman alıcı ve tehlikeli bir deney ortamını ihtiyacı da beraberinde getirmektedir. Bu sınırlamaları aşmak için, hibrit (QMOF) ve deneysel (CoRE MOF) veri setlerinin çeşitli gaz ayırma ve depolama uygulamaları için yüksek verimli taramasına odaklandık. MOF'ların gaz tutma miktarları, configurational biased Monte Carlo (CBMC) ve Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) simülasyonları ile hesaplandı ve moleküllerin MOF yapılarına kendiliğinden difüzyonu, moleküler dinamik (MD) simülasyonlarına göre çeşitli koşullarda belirlendi. En iyi adsorban adaylarını belirlemek için seçicilik, çalışma kapasitesi, adsorban performans skoru ve yüzde rejenerasyon oranı gibi çeşitli adsorban performans değerlendirme metrikleri kullanıldı. Havadaki uçucu organik bileşiklerin (VOC'ler) yakalanması için elde ettiğimiz sonuçlar, MOF'larımızın üçte birinden fazlasının ticari MFI'den daha yüksek (bütan) C4H10 seçiciliğine sahip olduğunu göstermektedir. Ayrıca, ilk 5 MOF'un C4H10 seçicilik değerlerinin 1 bar için (10 bar) 6.3"×" 103-9"×" 103 (3.8"×" 103-5"×" 103) arasında değiştiği görülmüştür. Yapı-performans ilişkilerinin analizi, orta derecede gözenekliliğe (0.4–0.6) ve dar gözenek boyutlarına (6–9 Å) sahip MOF'ların genellikle yüksek C4H10 seçiciliği gösterme eğiliminde olduğunu ortaya koymuştur. En iyi malzemelerin radyal dağılım fonksiyonu analizleri, C4H10 moleküllerinin ağırlıklı olarak MOF'ların organik bağlayıcılarına yakın lokalize olduğunu göstermiştir. Sonuçlarımız, VTSA'nın C3H8 yakalanması için en etkili süreç olduğunu ve birçok MOF'un yüksek rejenerasyon yeteneği (> %90), olağanüstü (propan) C3H8 seçiciliği (>7×10³) ve yüksek (etan) C2H6+ C3H8 seçiciliği (>100) sunduğunu göstermektedir. En iyi performans gösteren MOF'lar, dar gözeneklere (<10 Å), düşük gözenekliliğe (<0.7), benzen halkalı bağlantılara ve alümina veya çinko nodlara sahiptir. Bu MOF'lar, propan'ın havadan ayrılması uygulamalarında MFI'ın performansını aşmakta ve propan'ın doğal gazdan ayrılması için kullanılan çeşitli ticari MOF'lardan daha iyi sonuçlar vermektedir. Son iki bölümde, CoRE MOF'ların ve hMOF'ların CO tutunmalarının (kendiliğinden difüzyon) 1 bar ve 298 K'de sırasıyla from 0.02-2.28 (1.1×10-6 ve 2.5 ×10-3 cm2/s) mol/kg ve 0.45 to 3.06 mol/kg (2.6×10-7-3.6×10-3 cm2/s), arasında değiştiği hesaplanmıştır. Düşük basınçlarda (0.1-1 bar), CO için Henry sabiti (KH,CO) gaz tutma performansı için en önemli değişkendir, oysa daha yüksek basınçlarda (10 bar), yüzey alanı (Sacc) ve gözeneklilik (ϕ) gibi yapısal faktörler daha önemli hale gelmektedir. CO difüzyonu için sonuçlar, Tutunma ısısının (Q0st,CO) en önemli özellik olduğunu ortaya koymaktadır. Analizimiz, en iyi performans gösteren adsorbanları belirlemiş ve en yüksek CO tutumuna sahip MOF'ların genellikle dar gözeneklere (4.5–7.2 Å), aromatik halkalara, karboksilik asitlere, halojenlere ve Li gibi nadir metallere sahip olduğunu göstermiştir. Gaz tutma sonuçlarının aksine, yüksek PLD değerlerine (>12 Å) ve daha büyük gözenek hacmine (>1.2 cm³/g) sahip MOF'lar, daha yüksek CO difüzyon değerlerine (DCO >10-4 cm2/s) sahip olma eğilimi göstermektedir. Sonuçlarımız, moleküler simülasyon teknikleri ile kullanılan ML algoritmalarının ve HTCS metodolojisinin deneysel ve hesaplamalı çalışmalara güvenilir ve hızlı rehberlik sağladığını göstermektedir.