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Investigation of Anionic Metal–Organic Frameworks with Extra-Framework Cations for Room Temperature Hydrogen Storage

氢气储存 金属有机骨架 密度泛函理论 分子 材料科学 从头算 金属 无机化学 热力学 物理化学 化学 计算化学 有机化学 吸附 物理
作者
Thang D. Pham,Debabrata Sengupta,Omar K. Farha,Randall Q. Snurr
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:36 (8): 3794-3802 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.4c00126
摘要

Hydrogen (H2) is a clean alternative to fossil fuels and can be produced by using renewable energy sources. However, due to its low volumetric energy density, H2 storage requires low temperatures and/or high pressures for practical applications. H2 storage using metal–organic frameworks (MOFs) has gained traction due to the large surface areas and highly tunable nature of MOFs, but suitable materials for room-temperature storage remain elusive. In this study, we performed ab initio calculations to study H2 storage at room temperature in two anionic MOFs (NOTT-200 and SU-102) and examined the effects of different exchanged metal cations (Li+, Na+, K+, Mg2+, and Ca2+) on hydrogen adsorption. Our results show that the H2 adsorption enthalpy on Mg2+ cations is the highest among the cations studied, with average adsorption enthalpies of −18.7 and −23.3 kJ/mol at three H2 molecules per Mg2+ in NOTT-200 and SU-102, respectively. These adsorption enthalpies are in the desired range for room temperature H2 storage. We further estimated the volumetric H2 uptake for 2,058 anionic MOFs from the Cambridge Structural Database using assumptions based on our modeling and found that 459 MOFs could potentially exhibit a H2 volumetric uptake of more than 15.0 g/L. We synthesized NOTT-200-Mg, a magnesium-exchanged version of NOTT-200, and measured the H2 heat of adsorption experimentally. The measured H2 heat of adsorption was significantly lower than the results from density functional theory (DFT). Further DFT calculations show that water molecules can bind strongly to the Mg2+ cation and thus reduce the H2 heat of adsorption.

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