Die Rolle struktureller Defekte in den Wasseradsorptionseigenschaften von MOF-801

Die nanoporöse und einstellbare Natur von metall-organischen Rahmen (MOFs) hat sie zu vielversprechenden Adsorbentien für Wasseradsorptionanwendungen wie Wasserernte und adsorptive Wärmepumpen gemacht. In diesen Anwendungen spielen die Wasseradsorptionseigenschaften in MOFs eine entscheidende Rolle. Das Verständnis ihrer strukturellen Defekte und wie diese die Adsorptionsthermodynamik beeinflussen, ist jedoch bislang begrenzt. In dieser Arbeit untersuchen wir durch den Einsatz von Monte-Carlo-Techniken und Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie auf erster Prinzipien den Einfluss von Defekten auf die Wasseradsorptionseigenschaften in MOF-801-Strukturen auf atomarer Ebene. Unsere Berechnungen zeigen, dass die Adsorptionsisotherme im perfekten MOF-801 (ohne Defekte) stark von der experimentell gemessenen abweicht. Mit der Einführung von Defekten mit hoher Dichte kann eine vernünftige Übereinstimmung erzielt werden, was darauf hindeutet, dass eine hohe Defektdichte in MOF-801 für dessen hydrophiles Adsorptionsverhalten verantwortlich sein könnte. Zudem zeigen sich die Wasseradsorptionseigenschaften in MOF-801-Strukturen abhängig von der räumlichen Konfiguration der Defekte, wobei die Wasser-Kondensation in nanoporösem MOF-801 vorzugsweise in Richtung ⟨110⟩ auftritt. Die detaillierten strukturellen Merkmale (zugängliches Volumen usw.) der MOF-801-Strukturen und die Adsorptionsenergetik von Wasser in den Rahmen werden ebenfalls untersucht und mit den berechneten Adsorptionsisothermen korreliert. Unsere Ergebnisse offenbaren wichtige Einblicke in die Rolle der Defekte und bieten ein mikroskopisches Bild, das zur rationalen Gestaltung besserer MOFs für Wasseradsorptionanwendungen beiträgt.