JUN 12, 2025

金属有機骨格（MOF）のフォトスイッチ機能を用いた、反応速度制御型二酸化炭素捕捉の分子スケールダイナミクスのモデル化

要旨：

炭素排出は、気候への影響からますます懸念が高まっています。金属有機骨格（MOF）は、低エネルギーでの炭素回収に有効であることが示されている有望な材料です。本研究では、二酸化炭素（_CO₂）の通過を動力学的に制御するために、アゾベンゼン基を付加したMOFに焦点を当てています。 アゾベンゼンの空間構造は、光との相互作用によりシス型とトランス型の間で切り替えられる。これらの分子変化は細孔へのアクセス性に影響を与え、熱力学的に制御されるMOFによるCO₂捕集に伴うエネルギーコストを必要とせずに、_CO₂の拡散速度を調整可能にする。

計算分子動力学シミュレーションを用いて、アゾベンゼン光スイッチを有するUiO-68-MOFを通る単一_{分子CO₂の}通過を、トランス（開放）、シス（閉鎖）、およびスイッチなしの3つの構成についてモデル化した。MOFの初期幾何構造はORCA量子化学プログラムを用いて最適化され、MDパラメータはtinker AMOEBAソフトウェアを用いて導出した。シミュレーションはOpenMMソフトウェアを用いて、周期境界条件の下で実行した。_CO₂の通過は、マルコフ連鎖を用いた確率論的アプローチによりシミュレーションされた多段階の動力学的プロセスとしてモデル化された。

シミュレーションの結果、_CO₂の通過速度に有意な違いが明らかになった。トランス型構造ではシス型に比べて通過が速く、平均通過速度は33％高かった。統計解析により、これらの違いが有意であることが確認され、特にMOF細孔への出入りを伴う主要な遷移においてその傾向が顕著であった。これらの知見は実験結果と一致しており、フォトスイッチによる変調_がCO₂の流れを動力学的に制御する可能性を裏付けるものである。

銅の頂点との誘導双極子相互作用についても、スイッチのコンフォメーションによって異なることが確認されたが、これが遷移速度の差異に寄与しているかどうかを明らかにするには、さらなる研究が必要である。今後の研究では、さまざまな金属イオンやアゾベンゼン基の構造変化について調査を行う予定である。開構造と閉構造の差異を最大化するため、温度依存シミュレーションを通じて活性化エネルギーを算出する。これらの知見は、低エネルギー炭素隔離技術向けのMOFを設計するための基礎となるものである。