[논문 리뷰] Mechanisms behind high CO2/CH4 selectivity using ZIF-8 metal organic frameworks with encapsulated ionic liquids: a computational study

Tianhao Yu, Qiong Cai외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 27.

Metal-Organic Frameworks: Synthesis and Applications참고 문헌 41인용 수 4

한 줄 요약

이 계산 연구는 포장된 이온 액체(ILs)로 수정된 ZIF-8이 순수한 구멍 구조를 유지함으로써 높은 CO2/CH4 선택성을 달성함을 밝혀냈다. 밀도 함수 이론(DFT)과 분자 동역학(MD) 시뮬레이션 결과, 점도가 87 cP 이하인 ILs는 구멍의 안정성을 향상시키며, 그 이상이 되면 더 이상 향상되지 않는다.

ABSTRACT

CO2/CH4 separation using ionic liquids (ILs) encapsulated metal-organic frameworks (MOFs), especially ZIF-8, has shown promise as a new technique for separating CO2 from CH4. However, the mechanisms behind the high CO2/CH4 selectivity of the method remains indistinct. Here we report the progress of understanding the mechanisms from examining the ZIF-8 aperture configuration variation using DFT and MD simulations. The results indicate that the pristine aperture configuration exhibits the best separation performance, and the addition of ILs prevents the apertures from large swing (i.e. configuration variation). Subsequently, the effect of IL viscosity on the layout variation was investigated. MD simulations also show that the pristine aperture configuration is more stabilized by ILs with large viscosity (0-87Cp). Further increase of IL viscosity above 87Cp did not result in noticeable changes in the aperture stability.

연구 동기 및 목표

• 이온 액체를 내재한 ZIF-8 프레임워크에서 높은 CO2/CH4 선택성의 분자 메커니즘을 이해하는 것.
• 이온 액체가 가스 분리 중 ZIF-8의 구멍 구조의 동적 거동에 미치는 영향을 조사하는 것.
• IL 점도가 ZIF-8 다공구조의 안정성에 미치는 역할를 규명하는 것.
• 다공구조 안정성과 분리 성능을 극대화하는 데 최적의 IL 점도 범위를 특정하는 것.
• 순수한 다공구조가 변형된 구조보다 CO2/CH4 분리에서 더 우수한 성능을 보이는 이유를 명확히 하는 것.

제안 방법

• ZIF-8에 ILs가 존재하거나 존재하지 않을 경우의 전자적 및 에너제틱 성질을 분석하기 위해 밀도 함수 이론(DFT)을 활용하였다.
• 이온 액체 존재 조건에서 ZIF-8 다공구조의 동적 거동을 연구하기 위해 고전적 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 다공구조 안정성에 미치는 영향을 평가하기 위해 IL 점도를 0에서 87 cP 이상으로 다양화하였다.
• 다공구조의 이황각과 구조적 변동을 추적하여 구조적 변형 정도를 정량화하였다.
• IL-ZIF-8 상호작용을 분석하기 위해 반경 분포 함수와 배치 수 분석을 사용하였다.
• 동일한 시뮬레이션 조건 하에서 순수한 다공구조와 변형된 다공구조 간의 분리 성능을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CO2/CH4 분리 과정에서 이온 액체의 존재가 ZIF-8 다공구조의 구조적 동적 거동에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 IL 점도가 ZIF-8 다공구조의 안정성을 높이고 다공구조의 큰 변형을 방지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 왜 순수한 다공구조가 변형된 다공구조보다 CO2/CH4 선택성에서 뛰어난 성능을 보이는가?
• RQ4 더 이상 다공구조 안정성이 향상되지 않는 IL 점도의 임계값은 얼마인가?
• RQ5 IL-ZIF-8 상호작용은 프레임워크의 에너적 안정성과 동적 안정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• ZIF-8의 순수한 다공구조는 최적의 다공구조 기하학적 형태와 낮은 구조적 변동으로 인해 가장 높은 CO2/CH4 선택성을 나타낸다.
• 포장된 이온 액체는 다공구조의 큰 변형을 효과적으로 억제하여 가스 이동 중에도 구조적 통합성을 유지한다.
• 점도가 87 cP 이하인 ILs는 순수한 다공구조의 안정성을 크게 향상시킨다.
• 87 cP 이상으로 IL 점도를 더 높여도 다공구조의 안정성 향상 효과는 더 이상 없어진다.
• DFT 및 MD 시뮬레이션 결과, ILs가 ZIF-8 다공구조의 이황각 변동 폭을 감소시켜 구조적 왜곡을 최소화함을 확인하였다.
• IL 내장과 안정된 다공구조 기하학이 결합되어 CO2의 흡착 및 확산을 유리하게 만드는 선택적 환경을 형성한다.