Computational studies of novel UIO-66-based MOF, stability, electronic structure and defects

Abstract

En busca de soluciones a los urgentes desafíos medioambientales, especialmente aquellos relacionados con contaminantes nocivos y gases de efecto invernadero, se han explorado diversos materiales por su potencial en aplicaciones fotocatalíticas. En este ámbito, los Marcos Metal-Orgánicos (MOFs) han captado considerable atención en la última década debido a su porosidad inherente y sus estructuras adaptables. UiO-66 ha surgido como un candidato sobresaliente gracias a su síntesis, estabilidad y propiedades en numerosas aplicaciones. Esta investigación se centra en la exploración computacional del MOF UiO-66, investigando la influencia de los metales Ce y Ti en el nodo y la introducción de defectos en el enlace orgánico. El objetivo es mejorar su eficacia en la división del agua y la reducción del CO2. Para lograrlo, realizamos cálculos de teoría de densidad ab initio utilizando varios funcionales, incluyendo PBESol, r2SCAN, r2SCAN+rVV10 y HSE06. Nuestros hallazgos revelan que la estructura electrónica derivada de r2SCAN+rVV10/HSE06 se ajusta estrechamente a los datos experimentales informados para el MOF Ce-UiO-66. También analizamos propiedades como el volumen, el módulo de compresibilidad y la banda de energías prohibidas, lo que indica el tamaño, la flexibilidad mecánica y las diferencias de energía entre las bandas de valencia y conducción. La combinación de los elementos Ce y Ti dentro de un nodo da como resultado tres estructuras distintas, cada una con una simetría única pero propiedades similares, lo que se refleja en su densidad de estados parciales (PDOS) con una banda prohibida y una función de trabajo reducidas, que disminuyen aún más después de introducir defectos. Al alinear los niveles de energía con respecto al potencial del vacío, hemos identificado a Ce-UiO-66-NH2 como un prometedor fotocatalizador para la división del agua, principalmente debido a su pequeña brecha de banda, que requiere menos energía para la transferencia de carga. Investigaciones futuras se centrarán en la funcionalización de los enlaces orgánicos con yodo y bromo, así como en la exploración de variaciones en las proporciones de metales dentro del nodo para descubrir nuevas oportunidades para mejorar las propiedades fotocatalíticas del MOF UiO-66.