Computational modelling of adsorption and diffusion properties of CO2 and CH4 in ZIF-8 for gas separation applications: a density functional theory approach

文献情報

出版日 2021-01-13
DOI 10.1039/D0RE00416B
インパクトファクター 4.239
著者

Hari P. Paudel, Wei Shi, David Hopkinson, Janice A. Steckel, Yuhua Duan


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要旨

Understanding of zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) interaction with different gas molecules is crucial when ZIF-8 is used in gas separation. Computational studies based on density functional theory (DFT) can be used to investigate gas interactions and diffusion mechanisms that can be directly correlated with experimental observations. Here we present our studies based on DFT calculations on CO2 and CH4 gas adsorption and diffusion in the bulk of ZIF-8. We evaluate the structural and electronic properties of bulk ZIF-8, and determine the most stable adsorption sites and the corresponding diffusion barriers for CO2 and CH4 molecules. Our calculations incorporate long-range dispersion interactions to describe the weak interactions between adsorbate molecules and the framework. We analyze the adsorption and diffusion properties in relation with the material's volume expansion. We find that the CO2 and CH4 adsorption energies at the most stable adsorption sites are 5.01 and 4.47 kcal mol−1, respectively. The diffusivity of CO2 is found to be about two times that of CH4. Our calculated diffusion coefficients were found to have the same order of magnitude with the experimental results. Furthermore, our calculations indicate that CO2 and CH4 diffusivities in fixed ZIF-8 (all ZIF-8 framework atoms are fixed) are 5–9 times lower than the corresponding diffusion values in flexible ZIF-8 (all the framework atoms are allowed to move).

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掲載誌

Reaction Chemistry & Engineering

Reaction Chemistry & Engineering
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Reaction Chemistry & Engineering is an interdisciplinary journal reporting cutting-edge research focused on enhancing the understanding and efficiency of reactions. Reaction engineering leverages the interface where fundamental molecular chemistry meets chemical engineering and technology. Challenges in chemistry can be overcome by the application of new technologies, while engineers may find improved solutions for process development from the latest developments in reaction chemistry. Reaction Chemistry & Engineering is a unique forum for researchers whose interests span the broad areas of chemical engineering and chemical sciences to come together in solving problems of importance to wider society. All papers should be written to be approachable by readers across the engineering and chemical sciences. Papers that consider multiple scales, from the laboratory up to and including plant scale, are particularly encouraged.

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