Proposição de um campo de força simplificado para avaliação da capacidade adsortiva de estruturas organometálicas visando a captura de dióxido de carbono

Autor: Thalles Senna Diógenes
Přispěvatelé: Romanielo, Lucienne Lobato, Franca, Eduardo de Faria, Hori, Carla Eponina, Barreto Júnior, Amaro Gomes, Ferreira, Francis Barbosa
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFU
Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
instacron:UFU
Popis: Uma das aplicações da simulação molecular é a predição do comportamento adsortivo de gases em estruturas porosas, permitindo seu uso na seleção e aplicação de potenciais adsorventes em processos de interesse. A adequada representação energética das interações intermoleculares é fundamental para viabilidade desta ferramenta. Assim, o desenvolvimento de novos adsorventes, tais como as estruturas organometálicas (MOF’s), com maior complexidade estrutural, tem conduzido à contínua proposição de novos campos de força baseados na mecânica quântica. Embora de grande eficácia, na representação energética de MOF’s, estes campos de força apresentam um grande custo computacional. Nesse sentido, um campo de força generalista, de baixo custo computacional, porém com boa capacidade de representação energética se torna desejável. Assim, esta tese apresenta uma proposição de campo de força generalista, simplificado, para a predição da adsorção de CO2, e suas misturas com CH4 e N2, em estruturas organometálicas. O campo de força utiliza apenas sítios de interação do tipo van de Waals, modeladas pelo potencial de Lennard-Jones. Os parâmetros deste potencial são obtidos através das correlações de Slater-Kirkwood. A influência de variáveis como o raio de van de Waals e a representação estrutural dos MOF’s sobre o comportamento adsortivo foram avaliados. O campo de força proposto foi utilizado na determinação das isotermas de adsorção de CO2 nas seguintes estruturas organometálicas: UiO- 66, UiO-67, DUT-52, HKUST-1, IRMOF-1, IRMOF-8, IRMOF-9, IRMOF-10, IRMOF-11 e IRMOF-16. Os resultados foram comparados com dados experimentais bem como com dados de simulação utilizando campos de força mais elaborados, os quais incluem forças de interação eletrostáticas. A transferibilidade do campo de força para as moléculas de CH4 e N2 em UiO- 66, UiO-67, IRMOF-1, HKUST-1 e DUT-52 foi verificada. Os resultados indicaram que o campo de força proposto apresentou um bom desempenho, com baixo custo computacional na descrição da adsorção de CO2 nos MOF’s testados. No caso dos sítios metálicos abertos, em HKUST-1, o modelo foi eficiente em predizer a região de saturação da isoterma. As isotermas de adsorção simuladas das misturas binárias e ternárias mostram resultados promissores, uma vez que os parâmetros do campo de força não foram ajustados. Assim, o campo de força proposto é uma ferramenta adequada para a seleção inicial de estruturas com potencial para a captura e armazenamento de CO2. One of the applications of molecular simulations is the reproduction of the gases adsorption behaviour on porous structures, allowing the screening and application of the potential adsorbents in target processes. The suitable potential energy of intermolecular interactions is fundamental for viability of this tool. Thus, the development of new adsorbents, such as metal-organic frameworks, with greater structural complexity leads to the continuous proposition of new force fields based on quantum mechanics. Despite of their significant efficiency, these force fields present high computational costs. Therefore, a general force field with low computational cost, but a good capacity of energy representation is desirable. This thesis presents a proposition of a general and simplified force field for prediction of CO2 adsorption and their mixtures with CH4 and N2 on metal-organic frameworks. The force field proposed uses only van der Waals interaction sites modeled by Lennard-Jones potential. The parameters are obtained through Slater-Kirkwood’s correlation. The influence of van der Waals radii and MOF’s structural representation over adsorption behavior were evaluated. The CO2 adsorption isotherms simulated with proposed force field were obtained for the following structures: UiO-66, UiO-67, DUT-52, HKUST-1, IRMOF-1, IRMOF-8, IRMOF-9, IRMOF-10, IRMOF-11 and IRMOF-16. Results were compared to the experimental data as well simulation data obtained using more robust force fields that include electrostatic interactions. The transferability of the force field was assessed for CH4 and N2 adsorption on UiO-66, UiO-67, IRMOF-1, HKUST-1 and DUT-52. Results indicated a good performance with low computational cost using the proposed force field for CO2 adsorption on MOF’s studied. In the case of open metallic sites, on HKUST-1, the simulation predicted a saturation region. The simulated adsorption isotherms of mixtures showed interesting results, since the force field parameters did not adjust. Therefore, the proposed force field could be used, taking into account its limitations, as a suitable tool for an initial computational screening for structures aiming CO2 capture and storage. Tese (Doutorado)
Databáze: OpenAIRE
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