JUN 12, 2025

利用金属有机框架的光开关功能，对动力学调控的二氧化碳捕获过程进行分子尺度动力学建模

摘要：

由于碳排放对气候的影响，人们对此日益关注。金属-有机框架（MOFs）是一种极具前景的材料，已被证明可有效实现低能耗的碳捕获。本研究重点探讨了在MOFs中引入偶氮苯基团以动力学方式调控二氧化碳（_CO₂）传输的机制。 偶氮苯在与光相互作用时，其空间构型可在顺式和反式构型之间切换。这些分子变化会影响孔道通达性，从而实现_二氧化碳扩散速率的可调性，且无需付出与热力学调控型MOF捕获相关的能量成本。

通过计算分子动力学 (MD) 模拟，对含有偶氮苯光开关的UiO-68-MOF中单_{分子CO₂的}传输过程进行了建模，模拟涵盖了三种构型：反式（开放）、顺式（闭合）和无开关。MOF的初始几何结构使用ORCA量子化学程序进行了优化，并利用tinker AMOEBA软件推导出了分子动力学（MD）参数。模拟采用OpenMM软件进行，并施加了周期性边界条件。_CO₂的传输被建模为一个多步动力学过程，并采用马尔可夫链随机方法进行模拟。

模拟结果显示_{，二氧化碳}的传输存在显著差异。与顺式构象相比，反式构象下的传输速度更快，平均传输速率高出33%。统计分析证实了这些差异具有统计学意义，特别是在进入和离开金属有机框架（MOF）孔道的关键过渡阶段。这些发现与实验结果一致，并支持了以下假设：光开关调制有望通过动力学机制调控_{二氧化碳的}流动。

还发现，与铜顶点之间的诱导偶极相互作用也会因开关构象的不同而有所差异，但需要进一步研究才能确定这些相互作用是否导致了传输速率的差异。未来的研究将探讨不同金属离子以及偶氮苯基团的结构变化。将通过温度依赖性模拟计算活化能，以最大限度地放大开放构象与闭合构象之间的差异。这些发现为设计用于低能耗碳封存技术的金属有机框架（MOFs）奠定了基础。