Analisis Pengaruh Substitusi Kation Transisi Co/Ni dan Doping Ligan B(OH)2 Terhadap Penyimpanan Hidrogen pada MOF-650 Berbasis DFT dan GCMC
Meilafaisa Wilis Alfidia, Mokhammad Fajar Pradipta, S.Si., M. Eng ; Dr.rer.nat. Niko Prasetyo, S.Si., M.Sc.
2026 | Skripsi | KIMIA
Modifikasi material Metal-Organic Framework (MOF) sebagai media penyimpanan hidrogen
menjadi krusial untuk mendukung transisi energi bersih. Penelitian ini
bertujuan untuk memodifikasi struktur MOF-650 secara komputasi melalui
substitusi kation logam transisi Co/Ni serta doping ligan azulena menggunakan
asam boronat, B(OH)2. Fokus utama penelitian ini adalah mengkaji
pengaruh perubahan lingkungan elektronik dan struktural terhadap afinitas serta
kapasitas adsorpsi molekul hidrogen (H2) pada kerangka MOF-650.
Prosedur penelitian ini diawali dengan pemodelan struktur MOF-650 dengan topologi primitive cubic (pcu). Optimasi geometri dan analisis Density of States (DOS) dilakukan menggunakan metode Density Functional Theory (DFT) dengan fungsional PBEsol dan basis set double-Zeta valence. Distribusi muatan parsial pada Secondary Building Units (SBU) dianalisis menggunakan metode DDEC6 untuk mengevaluasi defisiensi elektron kation. Selanjutnya, simulasi Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) dilakukan untuk memperoleh isoterm adsorpsi, energi ikatan, dan profil Radial Distribution Function (RDF) pada berbagai kondisi temperatur.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa substitusi Co2+/Ni2+ menghasilkan medan elektrostatik lokal yang lebih kuat dibandingkan Zn2+, sementara doping B(OH)2 pada penaut organik meningkatkan polarisasi dinding pori melalui interaksi dipol-terinduksi terhadap H2. Sinergi kedua modifikasi tersebut paling optimal pada MOF-650-Ni-B(OH)2 dengan energi pengikatan H2 tertinggi sebesar -23,60 kJ mol-1 serta kapasitas adsorpsi H2 mencapai 92,52 mg g-1 pada 77 K dan 20 bar, meningkat signifikan dibandingkan MOF-650 murni. Hasil ini menjadikan MOF-650 termodifikasi sebagai kandidat material penyimpan hidrogen yang unggul pada temperatur kriogenik.
The modification
of Metal-Organic Frameworks (MOFs) as hydrogen storage media is crucial for
supporting the clean energy transition. This study aims to computationally
modify the MOF-650 structure by substituting the central metal cations with
transition metals (Co/Ni) and functionalizing the azulene ligands with boronic
acid, B(OH)2. The primary focus of this research is to examine the
impact of electronic and structural changes on the affinity and adsorption capacity
of hydrogen molecules (H2) within the MOF-650 framework.
The research procedure began with the structural modeling of MOF-650
exhibiting primitive cubic (pcu) topology. Geometric optimization and Density
of States (DOS) analyses were performed using
Density Functional Theory (DFT) with PBEsol functional and a double-Zeta valence basis
set. Partial charge distributions at the Secondary Building Units (SBU) were
analyzed using the DDEC6 method to evaluate cation electron deficiency.
Subsequently, Grand Canonical Monte Carlo simulations were conducted to obtain
adsorption isotherm, binding energies, and Radial Distribution Function (RDF)
profiles across various temperature conditions.
The results show that Co2+/Ni2+
substitution generates stronger local electrostatic fields than Zn2+,
while B(OH)2 doping on the organic linker enhances pore-wall
polarization through dipole-induced interactions with H2. The
synergy of both modifications is most pronounced in MOF-650-Ni-B(OH)2,
which exhibits the highest H2 binding energy of -23.60 kJ mol-1
and an adsorption capacity of 92.52 mg g-1 at 77 K and 20 bar, a
substantial increase over pristine MOF-650. These findings position modified
MOF-650 as a superior hydrogen storage material at cryogenic temperature.
Kata Kunci : adsorpsi hidrogen, DDEC6, GCMC, logam transisi, MOF-650.
