Pengaruh Kelembapan terhadap Kapasitas dan Selektivitas Adsorpsi CO2 pada MOF-5: Kajian Simulasi DFT dan GCMC

Syafira Dhita Puspita, Prof. Dr. rer. nat. Karna Wijaya, M.Eng.; Dr. rer. nat. Niko Prasetyo, S.Si., M.Sc.

2026 | Skripsi | KIMIA

Penelitian ini bertujuan mengetahui pengaruh kelembapan terhadap kapasitas dan selektivitas adsorpsi CO2 pada MOF-5 (IRMOF-1) menggunakan pendekatan komputasi. Struktur MOF-5 dioptimasi menggunakan metode DFT pada CP2K, kemudian distribusi muatan dianalisis menggunakan metode DDEC6 dengan Chargemol. Simulasi GCMC dengan RASPA dilakukan untuk menganalisis kapasitas adsorpsi, selektivitas, dan distribusi molekul CO2 serta H2O pada kondisi kering dan lembap. Interaksi adsorbat-adsorben diamati melalui perhitungan energi ikatan menggunakan DFT, sedangkan perilaku dinamis molekul dianalisis menggunakan simulasi MD melalui parameter RDF dan koefisien difusi. 

Hasil penelitian menunjukkan bahwa MOF-5 memiliki karakteristik pori yang baik dengan Koefisien ruang kosong helium sebesar 0,80 (80%), luas permukaan 3790,25 m2 g-1, dan ukuran pori 14,5 Å. Kapasitas adsorpsi CO2 pada kondisi kering meningkat hingga 18,15 mol kg-1 pada tekanan 20 bar, sedangkan keberadaan H2O menyebabkan penurunan kapasitas dan selektivitas adsorpsi CO2 secara signifikan. Energi ikatan H2O terhadap MOF-5 (-33,55 hingga -130,47 kJ mol-1) lebih kuat dibandingkan CO2 (-25,06 hingga -38,82 kJ mol-1), menunjukkan preferensi adsorpsi H2O pada situs aktif MOF-5. Analisis RDF dan koefisien difusi mendukung bahwa H2O mendominasi interaksi dalam pori MOF- 5 dan menghambat adsorpsi CO2 melalui mekanisme kompetisi adsorpsi. 

This study aimed to investigate the effect of humidity on the adsorption capacity andselectivity of CO2 in MOF-5 (IRMOF-1) using a computational approach. The MOF-5 structure was optimized using DFT calculations implemented in CP2K, followed by charge distribution analysis using the DDEC6 method using Chargemol. GCMC simulations performed with RASPA were employed to evaluate the adsorption capacity, selectivity, andspatial distribution of CO2 and H2O molecules under dry and humid conditions. Adsorbate–adsorbent interactions were investigated through binding energy calculations using DFT, while the dynamic behavior of molecules within the MOF-5 pores was analyzed using MD simulations through RDF and diffusion coefficient analyses. 

The results showed that MOF-5 possesses favorable porous characteristics, with a helium void fraction of 0.80, a surface area of 3790.25 m2 g-1, and an average pore size of 14.5 Å. The CO2 adsorption capacity under dry conditions increased to 18.15 mol kg-1 at 20 bar, whereas the presence of H2O significantly reduced both the adsorption capacity and selectivity of CO2. The binding energy of H2O on MOF-5 (-33.55 to -130.47 kJ mol-1) was stronger than that of CO2 (-25.06 to -38.82 kJ mol-1), indicating a preferential adsorption of H2O at the active sites of MOF-5. RDF and diffusion coefficient analyses further confirmed that H2O dominates pore interactions and suppresses CO2 adsorption through a competitive adsorption mechanism. 

Kata Kunci : adsorpsi CO2, MOF-5, kelembapan, simulasi DFT, simulasi GCMC