Nghiên cứu lí thuyết khả năng hấp phụ CO2 bằng vật liệu MOF-5 khung kim loại Cu, Co tẩm kim loại kiềm

Sự hấp phụ CO2 bởi vật liệu hữu cơ khung kim loại MOF-5 (khung kim loại Co cũng như Cu) được nghiên cứu bởi phương pháp phiếm hàm mật độ GGA-DFT với phiếm hàm tương quan trao đổi PBE. Kết quả nghiên cứu cho thấy MOF-5 được tẩm thêm kim loại kiềm (đặc biệt là Li) là vật liệu hấp phụ CO2 đầy triển vọng, năng lượng hấp phụ CO2 trở nên âm hơn rất nhiều khi có thêm Li (-131,8 kJ/mol so với -63,8 kJ/mol khi không có mặt Li).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu lí thuyết khả năng hấp phụ CO2 bằng vật liệu MOF-5 khung kim loại Cu, Co tẩm kim loại kiềm JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Natural Sci., 2013, Vol. 58, No. 3, pp. 11-23 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn NGHIÊN CỨU LÍ THUYẾT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CO2 BẰNG VẬT LIỆU MOF-5 KHUNG KIM LOẠI Cu, Co TẨM KIM LOẠI KIỀM Nguyễn Đình Thoại1,2 và Nguyễn Ngọc Hà1 1 Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, 2 Khoa Sinh - Hóa, Trường Đại học Tây Bắc Tóm tắt. Sự hấp phụ CO2 bởi vật liệu hữu cơ khung kim loại MOF-5 (khung kim loại Co cũng như Cu) được nghiên cứu bởi phương pháp phiếm hàm mật độ GGA-DFT với phiếm hàm tương quan trao đổi PBE. Kết quả nghiên cứu cho thấy MOF-5 được tẩm thêm kim loại kiềm (đặc biệt là Li) là vật liệu hấp phụ CO2 đầy triển vọng, năng lượng hấp phụ CO2 trở nên âm hơn rất nhiều khi có thêm Li (-131,8 kJ/mol so với -63,8 kJ/mol khi không có mặt Li). Từ khóa: DFT, MOF-5, năng lượng hấp phụ.1. Mở đầu Trong mấy thập kỉ gần đây, các vấn đề môi trường và sự biến đổi khí hậu đang đượccác nhà khoa học và xã hội đặc biệt quan tâm. Khi Trái đất nóng lên, băng ở các cực Nam- Bắc tan ra khiến mực nước biển dâng cao lấn chiếm đất liền, làm giảm diện tích đất sinhhoạt và canh tác, đặc biệt là các quốc gia ven biển chịu hậu quả nặng nề nhất. Dự đoánnước biển có thể dâng cao thêm 0,3 - 1,0 m, khi đó nhiều vùng thấp ở hai vùng châu thổsông Hồng và sông Cửu Long ở nước ta có thể bị ngập hoặc bị mặn hóa. Một trong nhữngnguyên nhân chính làm Trái đất đã và đang ấm dần lên là do sự gia tăng phát thải củacác khí nhà kính (CO2 56%, Nx Oy 6%, CH4 18%, CFC 13%, O3 7%) vào môi trường màtrong đó thành phần chủ yếu là khí CO2 [7]. Khí CO2 được phát thải vào môi trường đang ngày càng tăng do nhiều nguyên nhânnhư: sự phát triển công nghiệp, sự tăng số lượng xe cơ giới, cháy rừng, sự phun trào củanúi lửa. . . Sự gia tăng nhiệt độ khí quyển sẽ làm thay đổi khí hậu và thời tiết, từ đó có thểđẩy nhanh việc suy giảm đa dạng sinh học, biến đổi hệ sinh thái, ảnh hưởng đến chiều dàicủa mùa, gây ra các thiên tai như hạn hán, lũ lụt, vòi rồng cùng với các cơn bão thườngxuyên xảy ra và ngày càng nghiêm trọng [8].Ngày nhận bài: 5/1/2013. Ngày nhận đăng: 10/6/2013.Tác giả liên lạc: Nguyễn Ngọc Hà, địa chỉ e-mail: hann@hnue.edu.vn 11 Nguyễn Đình Thoại và Nguyễn Ngọc Hà Trước các vấn đề cấp bách đó, con người đã có nhiều biện pháp để đối phó. Cácnước chung tay kí nghị định thư Kyoto cắt giảm lượng khí CO2 phát thải vào môi trường(trong đó có Việt Nam), nghiên cứu ra các vật liệu mới theo hướng công nghệ xanh, sạchhơn nhằm xử lí hay lưu giữ khí CO2 . Những lo lắng về biến đổi khí hậu toàn cầu do lượngcacbon đioxit quá tải gây nên, khiến nhiều công nghệ cùng hướng vào một mục đích, đólà tách và thu giữ khí cacbon đioxit sinh ra do hoạt động sản xuất,... Có nhiều vật liệu đãvà đang được nghiên cứu, một trong những vật liệu đó là MOFs [12]. MOF (Metal Organic Frameworks) là nhóm vật liệu lai mới được sản xuất từ kimloại và các hợp chất hữu cơ. MOF là một trong những vật liệu được các nhà khoa học quantâm nhất hiện nay, nó đã và đang làm thay đổi diện mạo của hóa học chất rắn và khoa họcvật liệu trong 10 năm gần đây. Vật liệu MOF có nhiều ứng dụng như tách, lưu trữ các khíhydro, cacbon dioxit, metan, nitơ, làm xúc tác [6]. Trong khuôn khổ bài báo này chúng tôi giới thiệu kết quả tính toán lí thuyết sự hấpphụ CO2 trên vật liệu MOF-5 và vật liệu MOF-5 được biến tính bằng việc thêm kim loạikiềm vào, theo phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT), với các luster kim loại Co và Cu.2. Nội dung nghiên cứu2.1. Mô hình và phương pháp tính Hình 1. Mô hình MOF-5: (M4 O)2 (C6 H5 CO2 )10 BDC lựa chọn để tính toán M: Co, Cu; BDC là benzen dicacboxylic Các tính toán đã thực hiện sử dụng xấp xỉ gradien tổng quát (GGA) phiếm hàmtương quan trao đổi (PBE), bộ hàm DZP, thế giả bảo toàn chuẩn Kleinman-Bylander vớingưỡng cắt hàm sóng 75 Ryd. Tham số mạng cho supercell MOF5-M-CO2 là a = 35,0 A, ˚ ˚ c = 20,0 A.b = 20,0 A, ˚ Năng lượng hấp phụ, mô men lưỡng cực điện, năng lượng HOMO,LUMO,... được tính bằng Phương pháp DFT với tiêu chuẩn hội tụ về lực là 0,05 eV/A, ˚số bước tối ưu tối đa là 1000. Tất cả các phép tính toán được sử dụng gói phần mềm mãnguồn mở SIESTA [9, 10]. Các tham số lựa chọn nêu trên đã được chứng minh là hợp líđể các kết quả nhận được là đủ độ tin cậy. Việc gắn thêm các kim loại kiềm vào vòng benzen trung tâm của BDC tạo ra trungtâm hấp phụ mạnh, làm tăng đáng kể khả năng hấp phụ của MOF-5.12 Nghiên cứu lí thuyết khả năng hấp phụ CO2 bằng vật liệu MOF-5 khung kim loại Co và Cu Hình 2. Mô hình A-MOF-5 (A là kim loại kiềm: Li, Na, K) được gắn vào vòng benzen trung tâm của BDC Năng lượng gắn kết kim loại kiềm vào một đơn vị MOF-5 cũng chính là năng lượnghấp phụ và được xác định như sau: Ehp = EA−MOF−5 − EA − EMOF−5 (2.1) Trong đó EA−M OF −5, EA và EM OF −5 lần lượt là các năng lượng tổng của MOF-5có chứa nguyên tử kim loại kiềm (A) bị hấp phụ, năng lượng nguyên tử kim loại kiềm (A)và năng lượng MOF-5. Năng lượng hấp phụ CO2 của A-MOF-5 được tính như công thức sau: Ehp = EA−MOF−5+CO2 − (EA−MOF−5 + ECO2 ) (2.2) Trong đó EMOF−5−M′ +CO2 là năng lượng hấp phụ CO2 trên A-MOF-5; EA−MOF−5và ECO2 là năng lượng của A-MOF-5 và năng lượng của CO2 .2.2. Kết quả và thảo luận Các cấu trúc (CO2 , MOF-5, A-MOF-5) đã được tối ưu hóa đầy đủ m ...