Functionalization of Metal–Organic Framework Nanochannels for Water Transport and Purification
Notice bibliographique
Résumé
High Resolution Image Download MS PowerPoint Slide Artificial water nanochannels (AWCs) have drawn great attention due to their potential use in water purification. Herein, we propose an AWC design, which is based on coordinatively functionalizing unsaturated metal sites found in metal–organic frameworks (MOFs) with one-dimensional nanochannels. As a computational demonstration, we consider two MOFs, namely, Ni-CPO-27 and Ni-CPO-54, and graft proline, imidazolecarboxylic acid, imidazolecarboxaldehyde, pyrazolecarboxylic acid, and pyrazole carbaldehyde molecules into the MOF nanochannels. To assess the strength of the molecule-metal binding, binding energies were calculated using density functional theory. The results indicate that the MOFs containing either proline or 2-imidazolecarboxylic acid form water-stable AWCs with binding energies twice that of the binding energy of water. To shed light on the water diffusion mechanism in the proline-Ni-CPO-27/54 and 2-imidazolecarboxylic-Ni-CPO-27/54 AWCs, molecular dynamics simulations were performed to calculate the mean-squared displacement of water molecules and nonbonded interaction energies between select pairs of atoms in water and coordinated molecules were analyzed. It was found that the fastest water diffusion occurs in proline-Ni-CPO-54 with a self-diffusion coefficient of 7.2 ± 0.5 × 10 –8 cm 2 /s. In comparison, the fastest water self-diffusion coefficient reported in a carbon nanotube-based AWC is 9 × 10 –6 cm 2 /s. Nonbonded interactions between specific atom pairs regulate water diffusion in the functionalized MOF nanochannels. In particular, the change in water mean-squared displacement with changing water loading correlates well with the nonbonded energies between the partially positively charged hydrogen atoms in water and the partially negatively charged oxygen and nitrogen atoms in the proline and 2-imidazolecarboxylic acid molecules. The results presented herein indicate that water-stable MOFs could perform well as AWCs, thereby lending support to the further design and synthesis of MOF-based AWCs for water purification.
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Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».