JUN 12, 2025

금속-유기 골격체(MOF)의 광전환 기능을 이용한 동역학적으로 제어되는 이산화탄소 포집의 분자 수준 동역학 모델링

초록:

탄소 배출은 기후에 미치는 영향으로 인해 점점 더 큰 우려를 낳고 있다. 금속-유기 골격체(MOF)는 저에너지 탄소 포집에 효과적인 것으로 입증된 유망한 소재이다. 본 연구는 이산화탄소(_CO₂) 이동을 동역학적으로 제어하기 위해 아조벤젠 기를 도입한 MOF에 초점을 맞추고 있다. 아조벤젠의 공간적 구조는 빛과 상호작용할 때 시스(cis)와 트랜스(trans) 구조 사이를 전환할 수 있다. 이러한 분자적 변화는 기공 접근성에 영향을 미치며, 열역학적 조절 방식의 MOF 포집과 관련된 에너지 소모 없이_CO₂의 확산 속도를 조절할 수 있게 한다.

계산적 분자 동역학( 분자동역학 ) 시뮬레이션을 이용하여, 아조벤젠 광스위치가 포함된 UiO-68-MOF를 통과하는 단일 분자_CO₂ 이동 현상을 트랜스(열림), 시스(닫힘), 스위치 없음의 세 가지 구성에서 모델링하였다. MOF의 초기 기하 구조는 ORCA 양자화학 프로그램을 통해 최적화되었으며, MD 매개변수는 Tinker AMOEBA 소프트웨어를 사용하여 도출하였다. 시뮬레이션은 OpenMM 소프트웨어를 사용하여 주기적 경계 조건 하에서 수행되었다._CO₂ 이동은 다단계 동역학 과정으로 모델링되었으며, 마르코프 연쇄 확률론적 접근법을 사용하여 시뮬레이션되었다.

시뮬레이션 결과,_CO₂ 이동에 있어 유의미한 차이가 드러났다. 트랜스(trans) 스위치 구조는 시스(cis) 구조에 비해 이동 속도가 더 빨랐으며, 평균 이동 속도는 33% 더 높았다. 통계적 분석을 통해 이러한 차이가 유의미한 것으로 확인되었으며, 특히 MOF 기공으로의 진입 및 기공에서의 이탈과 같은 주요 전환 구간에서 그 차이가 두드러졌다. 이러한 결과는 실험 연구 결과와 일치하며, 광스위치 조절이_CO₂ 흐름을 동역학적으로 제어할 잠재력을 가지고 있다는 가설을 뒷받침한다.

구리 정점과의 유도 쌍극자 상호작용 역시 스위치 구조에 따라 차이가 있는 것으로 나타났으나, 이것이 전이 속도 차이에 기여하는지 확인하기 위해서는 추가 연구가 필요하다. 향후 연구에서는 다양한 금속 이온과 아조벤젠 단편의 구조적 변화를 조사할 예정이다. 개방형과 폐쇄형 구조 간의 차이를 극대화하기 위해 온도 의존적 시뮬레이션을 통해 활성화 에너지를 계산할 것이다. 이러한 통찰은 저에너지 탄소 격리 기술을 위한 MOF 설계의 기초를 마련해 줄 것이다.