Computational studies of the metal-organic framework Cu2(CO2)4 + H2ABDC-X, (X = F, Cl, Br): stability, electronic structure, and defects

Abstract

A la luz de las nuevas tecnologías de lucha contra el cambio climático, los MOFs han demostrado ser bastante útiles. Las estructuras metal-orgánicas (MOF, por sus siglas en inglés) son materiales porosos formados por la unión de unidades orgánicas con clústeres metálicos como nodos (SBU). Sus altos valores de porosidad y área superficial los convierten en buenos candidatos para cualquier aplicación que implique almacenamiento (por ejemplo, entrega de fármacos, captación de agua, almacenamiento de hidrógeno y metano, captura de dióxido de carbono, así como también aplicaciones de catálisis). En este trabajo, se presenta cálculos de teoría funcional de densidad de espín (spin-DFT) para estudiar las propiedades electrónicas de tres MOFs diferentes construidos a partir de nodos de cobre y ligando ABDC-X fun- cionalizado con X = F, Cl, Br, para evaluar sus aplicaciones fotocatalíticas. La relajación electrónica con funcionales meta-GGA (r2SCAN + rVV10) dio como resultado que la fase antiferromagnética (AFM2) es la más óptima. Todas las estructuras AFM2 muestran energías de banda dentro del espectro visible, Eg = 2, 5 − 2, 7 eV mostrando buenas capacidades de fotoabsorción. La densidad de estados atómica proyectada de spin calculada con el funcional híbrido HSE06 muestra que las excitaciones de carga de ligando a metal (LMCT) y de ligando a ligando (LLCT) están presentes en todos los MOF estables, lo que crea estados separados de carga esenciales para la fotocatálisis. Alineación de las posiciones de las energías de banda con los potenciales redox de división de agua y reducción de CO2 permitió la evaluación de la actividad de fotocatálisis de los MOFs. Nuestros resultados alientan la aplicación de MOF basados en SBU de cobre y ligando ABDC-X funcionalizado con X = F, Cl, Br para la división fotocatalítica del agua y la reducción de CO2. La investigación futura se centrará en la funcionalización de ABDC-X, X = I, NH2, NO2, así como explorar otros tipos de defectos que podrían presentar propiedades electrónicas aún mejores.