Computational screening of functional groups for capture of toxic industrial chemicals in porous materials

文献情報

出版日 2017-11-13
DOI 10.1039/C7CP06521C
インパクトファクター 3.676
著者

David Fairen-Jimenez, Randall Q. Snurr


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要旨

A thermodynamic analysis using quantum chemical methods was carried out to identify optimal functional group candidates that can be included in metal–organic frameworks and activated carbons for the selective capture of toxic industrial chemicals (TICs) in humid air. We calculated the binding energies of 14 critical TICs plus water with a series of 10 functional groups attached to a naphthalene ring model. Using vibrational calculations, the free energies of adsorption were calculated in addition to the binding energies. Our results show that, in these systems, the binding energies and free energies follow similar trends. We identified copper(I) carboxylate as the optimal functional group (among those studied) for the selective binding of the majority of the TICs in humid air, and this functional group exhibits especially strong binding for sulfuric acid. Further thermodynamic analysis shows that the presence of water weakens the binding strength of sulfuric acid with the copper carboxylate group. Our calculations predict that functionalization of aromatic rings would be detrimental to selective capture of COCl2, CO2, and Cl2 under humid conditions. Finally, we found that forming an ionic complex, H3O+HSO4−, between H2SO4 and H2O via proton transfer is not favorable on copper carboxylate.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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