Kajian Struktur Material Metal-Organic Framework Zn-MOF-74 Tersubstitusi Parsial dengan Logam Alkali Tanah dan Interaksinya dengan CO2, H2O, dan NO2 Menggunakan Metode Density Functional Theory

Muhammad Rifqi Najib, Fajar Inggit Pambudi, M.Sc., Ph.D.; Dr.rer.nat. Niko Prasetyo, S.Si., M.Sc.

2024 | Skripsi | KIMIA

Telah dilakukan kajian teoritis menggunakan density functional theory (DFT) untuk memodifikasi Zn-MOF-74 sebagai adsorben gas buang. Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji struktur logam ganda pada M/Zn-MOF-74 (M= Be, Mg, Ca, Sr, Ba) dan mempelajari pengaruhnya terhadap struktur, kestabilan relatif, sifat elektronik, dan interaksi host-guest terhadap molekul CO2, H2O, dan NO2. Penelitian dilakukan dengan mensubstitusi salah satu ion Zn2+ pada Zn-MOF-74 dengan ion logam alkali tanah menjadi M/Zn-MOF-74. Pemodelan molekul dilakukan dengan memperhatikan sifat periodisitas dari struktur MOF dengan tahapan geometri optimasi dan perhitungan single point energy. Penelitian ini dilakukan menggunakan metode DFT dengan fungsional Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) untuk perhitungan optimasi. Kemudian perhitungan single point energy dilakukan menggunakan fungsional PBE dan Heyd–Scuseria–Ernzerhof (HSE). Kajian interaksi host-guest dilakukan dengan menambatkan molekul CO2, H2O, dan NO2 pada material MOF.

Hasil penelitian menunjukkan substitusi ion Zn2+ dengan ion logam M2+ mempengaruhi volume kisi dengan peningkatan secara bertahap sebanding dengan peningkatan radius ion logam M2+. Kestabilan relatif di setiap variasi posisi tidak memberikan perbedaan yang signifikan menunjukkan kemungkinan ion logam M2+ mensubstitusi ion Zn2+ di berbagai posisi dalam sistem periodik yang sama. Energi celah pita pada M/Zn-MOF-74 bervariasi di antara 2,84 - 3,08 eV. Analisis density of states (DOS) terhadap Zn-MOF-74 dan M/Zn-MOF-74 tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan mengindikasikan substitusi ion logam tidak merusak kerangka MOF. Interaksi Ca/Zn-MOF-74 dengan molekul NO2 memberikan kestabilan tertinggi disusul oleh kompleks Mg/Zn-MOF-74 dengan H2O dan kompleks Ca/Zn-MOF-74 dengan CO2 berturut-turut. Oleh karena itu, gas buang yang paling mungkin untuk berinteraksi dengan M/Zn-MOF-74 adalah NO2 > H2O > CO2.

Theoretical study using density functional theory (DFT) to modify Zn-MOF-74 as a flue gas adsorbent has been conducted. This research aims to design M/Zn-MOF-74 (M = Be, Mg, Ca, Sr, Ba) and investigate their effects on structure, relative stability, electronic properties, and host-guest interactions with CO2, H2O, and NO2 molecules. The research was performed on Zn-MOF-74 by substituting one of the Zn2+ ions with an alkaline earth metal ion to obtain M/Zn-MOF-74. Molecular modeling is carried out by taking into account the periodicity properties of the MOF structure with geometry optimization and calculation of the single point energy. This research was conducted using the DFT method with Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) functional for optimization. Subsequently, single point energy calculations were performed using both PBE and Heyd–Scuseria–Ernzerhof (HSE) functionals. The investigation of host-guest interactions was executed by docking CO2, H2O, and NO2 molecule into the MOF material.

The research results indicate that substituting Zn2+ ion with M2+ ion affects the unit cell volume, gradually increasing in proportion to the increasing radius of the M2+ ion. The relative stability at each substitution position shows no significant differences, indicating the potential for M2+ ion to substitute Zn2+ ion at various positions within the same periodic system. The band gap energy in M/Zn-MOF-74 ranges from 2.84 to 3.08 eV. Analysis of the density of states (DOS) for Zn-MOF-74 and M/Zn-MOF-74 shows no significant differences, indicating that metal ion substitution does not disrupt the MOF framework. The interaction of Ca/Zn-MOF-74 with NO2 provides the highest stability, followed by the Mg/Zn-MOF-74 complex with H2O, and the Ca/Zn-MOF-74 complex with CO2, respectively. Therefore, exhaust gas most likely to interact with M/Zn-MOF-74 are NO2 > H2O > CO2.

Kata Kunci : Adsorpsi, density functional theory, logam alkali tanah, Zn-MOF-74