Studi Density Functional Theory (DFT) dan Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) Terhadap Pengaruh Doping Atom B, N serta Logam Mg dalam Meningkatkan Kapasitas Penyimpanan Hidrogen pada MOF-650
Ahmad Sirrullah, Dr.rer.nat Niko Prasetyo, S.Si., M.Sc.; Mokhammad Fajar Pradipta, S.Si., M.Eng.
2023 | Skripsi | KIMIA
Penelitian ini bertujuan untuk melakukan modifikasi MOF-650 dengan doping atom B, N dan substitusi logam pusatnya dengan Mg secara komputasi, serta dilanjutkan mengkaji pengaruh modifikasi yang dilakukan terhadap karakter MOF-650 sebagai material penyimpan hidrogen. Penelitian ini diawali dengan doping atom B dan N pada azulena, penaut organik MOF-650, dan kemudian dikaji momen dipolnya. Variasi azulena terdoping B dan N dengan momen dipol terendah dan tertinggi dipilih. Kemudian, MOF-650 dimodifikasi dengan menggunakan azulena terdoping serta mengganti logam pusatnya dengan Mg. MOF-650 murni dan termodifikasi dilakukan perhitungan optimasi geometri dengan metode DFT tingkat Generalized Gradient Approximation (GGA)-PBESol dan basis set double zeta valence. Analisis transfer muatan serta Density of States (DOS) dilakukan terhadap modifikasi yang dilakukan. Selanjutnya, karakter MOF-650 sebagai material penyimpan hidrogen (H2) dikaji dengan metode simulasi GCMC dan DFT dengan parameter uji kapasitas adsorpsi dan energi interaksi H2. Pemodelan MOF-650 termodifikasi berhasil dilakukan dan didapatkan kerangka MOF dengan topologi primitive cubic (pcu). Terdapat tiga kerangka MOF termodifikasi yang dihasilkan, yakni MOF-650-NB-C7-azulena dengan panjang kisi a = b = c = 30,95 Å, MOF-650-NB-C7-azulena-Mg dengan panjang kisi a = b = c = 31,10 Å, serta MOF-650-NB-azulena-Mg dengan panjang kisi a = b = c = 31,10 Å. Kapasitas penyimpanan H2 maksimum dari tiga kerangka menghasilkan urutan MOF-650-NB-C7-azulena < MOF>wt%. Adapun dari hasil kajian energi interaksi H2, ESP, serta RDF yang dipadukan hasil analisis momen dipol, transfer muatan, serta kapasitas adsorpsi menghasilkan beberapa kesimpulan pemahaman, yakni kapasitas adsorpsi serta energi interaksi H2 meningkat dengan adanya doping B-N dan Mg sebagai akibat meningkatnya kepolaran dan transfer muatan; H2 lebih suka terdistribusi di sekitar klaster logam dari kerangka MOF karena energi interaksinya lebih kuat sekitar 1,66–3,14 kkal/mol; terdapat distribusi muatan positif serta negatif pada situs Unit Bangun Sekunder (UBS) MOF dan cincin lima (C5) azulena yang menyebabkan interaksi elektrostatik lebih kuat; serta distribusi muatan negatif jauh lebih tinggi di situs UBS daripada penaut organiknya.
This research aims to computationally modify MOF-650 by doping it with B, N atoms and substituting its central metal with Mg, and then investigate the effects of these modifications on the characteristics of MOF-650 as a hydrogen storage material. The study begins by doping B and N atoms into azulene, an organic linker of MOF-650, and analyzing its dipole moments. Different variations of B and N-doped azulene with the lowest and highest dipole moments are selected. Subsequently, MOF-650 is modified using the B and N-doped azulene and by replacing the central metal with Mg. Pure and modified MOF-650 structures undergo geometry optimization calculations using the DFT method with the GGA-PBESol level of theory and a double zeta valence basis set. Charge transfer analysis and DOS calculations are conducted on the modifications made. Furthermore, the hydrogen storage characteristics of MOF-650 are investigated as a material through GCMC and DFT simulations, employing adsorption capacity and hydrogen interaction energy as the evaluation parameters. Successful modeling of the modified MOF-650 is achieved, obtaining MOF frameworks with a pcu topology. There are three modified MOF frameworks produced, namely MOF-650-NB-C7-azulene with lattice parameters a = b = c = 30.95 Å, MOF-650-NB-C7-azulene-Mg with lattice parameters a = b = c = 31.10 Å, and MOF-650-NB-azulene-Mg with lattice parameters a = b = c = 31.10 Å. The maximum H2 storage capacity among the three frameworks follows the order of MOF-650-NB-C7-azulene < MOF>
Kata Kunci : DFT, GCMC, material penyimpan hidrogen, MOF-650