Simulação computacional da adsorção de metano em novos materiais metal orgânicos

Abstract

Recentemente uma nova classe de materiais nano- e meso-porosos foi desenvolvida baseada em redes metal-orgânicas (MOFs), que, por manterem sua porosidade e estrutura cristalina, tem provocado mudanças significativas no campo de armazenamento e separação de gáses, catálise e química em espaços confinados. O desenvolvimento de novos materiais é indispensável para eliminar alguns problemas no armazenamento de gás natural, tais como alta pressão (acima de 182 atm), o que acarreta altos custos e risco. A adsorção e dessorção do gás natural em materiais porosos sólidos podem resolver esse problema. Devido à grande área superficial, porosidade e versatilidade (facilidade para realizar modificações nos espaçadores orgânicos), MOFs e suas classes isoreticulares (IRMOFs) são materiais de grande potencial para fins de armazenamento de gás. De fato, IRMOFs têm a mesma estrutura reticular, mas podem ter uma grande variedade de grupos funcionais, podendo então ser utilizadas do desenvolvimento racional de materiais sorventes para aplicações específicas. As IRMOFs possuem a unidade de construção OZn4(OOC)6 em cada vértice do cubo, que são conectados por espaçadores orgânicos dicarboxilatos. Realizamos simulações computacionais de Monte Carlo Grã-Canônico (GCMC) para obter as isotermas de adsorção absolutas do metano para diversas IRMOFs. As estruturas das IRMOFs foram obtidas com o método quântico semi-empírico AM1 e foram mantidas rígidas durante as simulações GCMC, sendo as moléculas de metano modeladas como esferas rígidas e interagindo entre si e com a IRMOF por um potencial de Lennard-Jones. Os parâmetros deste potencial de interação intermolecular foram obtidos do campo de força universal (UFF) e condições periódicas foram empregadas. Uma nova metodologia foi proposta para determinar a quantidade adsorvida de excesso e efetiva, e assim viabilizar a comparação com os resultados experimentais. Elas consistem em simulações das isotermas de adsorção do gás hélio e do metano sem interações com a IRMOF nas mesmas condições termodinâmicas. Dentre as quinze IRMOFs estudadas, a que teve maior quantidade adsorvida de metano, 240 cm3(CNTP)/cm3, foi a IRMOF-993-4S que consiste de um anel antraceno modificado com átomos de enxofre. As metodologias para determinar as quantidades adsorvidas de excesso e efetiva são simples, sistemáticas e propensas a cancelamento de erros. Entretanto, requerem o dobro de simulações, mas dada a rapidez das simulações esta não é uma limitação muito severa e as metodologias parecem ser adequadas para fornecer, pelo menos, tendências semiquantitativas e servir como ferramenta para a seleção rápida de potenciais adsorventes de gases