On the Mechanism of Hydrogen Storage in a Metal−Organic Framework Material

氢气储存 化学 物理吸附 化学物理 范德瓦尔斯力 金属有机骨架 极化(电化学) 纳米技术 分子 物理化学 吸附 有机化学 材料科学
作者
Jonathan L. Belof,Abraham C. Stern,Mohamed Eddaoudi,Brian Space
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:129 (49): 15202-15210 被引量:177
标识
DOI:10.1021/ja0737164
摘要

Monte Carlo simulations were performed modeling hydrogen sorption in a recently synthesized metal-organic framework material (MOF) that exhibits large molecular hydrogen uptake capacity. The MOF is remarkable because at 78 K and 1.0 atm it sorbs hydrogen at a density near that of liquid hydrogen (at 20 K and 1.0 atm) when considering H2 density in the pores. Unlike most other MOFs that have been investigated for hydrogen storage, it has a highly ionic framework and many relatively small channels. The simulations demonstrate that it is both of these physical characteristics that lead to relatively strong hydrogen interactions in the MOF and ultimately large hydrogen uptake. Microscopically, hydrogen interacts with the MOF via three principle attractive potential energy contributions: Van der Waals, charge-quadrupole, and induction. Previous simulations of hydrogen storage in MOFs and other materials have not focused on the role of polarization effects, but they are demonstrated here to be the dominant contribution to hydrogen physisorption. Indeed, polarization interactions in the MOF lead to two distinct populations of dipolar hydrogen that are identified from the simulations that should be experimentally discernible using, for example, Raman spectroscopy. Since polarization interactions are significantly enhanced by the presence of a charged framework with narrow pores, MOFs are excellent hydrogen storage candidates.
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