Home CasesNEB法を用いたMOFのCO₂吸着ダイナミクスの解析

NEB法を用いたMOFのCO₂吸着ダイナミクスの解析

事例提供者：
東京科学大学
(Institute of Science Tokyo)

テーマ概要

カーボンニュートラル社会を実現するために、温室効果ガスであるCO₂を回収、分離する技術の確立は喫緊の課題となっています。金属イオンと有機多座配位子が連続して結合することで構築される細孔性材料であるMetal-organic frameworks（MOFs）は、構成要素（金属や配位子）を変更することで構造や物性を調整可能であり、その設計性の高さから分離技術の分野において注目される物質の一つです。

文献１の研究では、外部との接点を持たない孤立した細孔を有するMOFを開発しました。そのMOFは構造中に明確なCO₂の移動経路が存在しないにもかかわらず、CO₂を選択的に吸着・貯蔵することができます。この特異的な吸着現象のメカニズムを解明するために、Matlantis^TMを用いたシミュレーションを実施しました。

計算モデルと計算方法

計算対象としたのはCO₂もN₂も吸着しないMOF①と、N₂を吸着しないがCO₂を吸着するMOF②を計算対象としました。どちらも孤立空間の細孔を持ち、一見すると分子が細孔に入り込むことはできません。

CO₂の吸着経路の特定のためには、化学反応の遷移状態を計算する手法であるCl-NEB法を用いました。MOFの１つの細孔内に１つのCO₂分子が取り込まれた状態を始状態（IS）、隣接した細孔内にCO₂分子が取り込まれた状態を終状態（FS）として、始状態と終状態のあいだの状態を求めました。

計算結果と展望

MOF②におけるCO₂吸着の計算結果は、右に示した図のようになりました。CO₂が通過する瞬間のみMOFの骨格構造に微細な変化が生じ、CO₂が移動できる通路が現れます。CO₂が通り過ぎると通路が消失することでCO₂が細孔内に閉じ込められます。CO₂が通過するときには一時的にエネルギー不安定な状態になり、このことはCO₂の吸着に活性化障壁が存在することを示唆しています。

MOF①のCO₂とN₂の吸着や、MOF②のN₂の吸着に対して同様の計算を行うと、活性化障壁はMOF②のCO₂吸着よりも大きくなることがわかり、実験的に観察された結果との整合性が確かめられました。また、X線結晶構造解析でも吸着前後や吸着の最中にMOF骨格の明確な構造転移は確認されておらず、シミュレーションで見られた原子の挙動も実験を裏付けるものになっています。

MOFは構造複雑性から計算コストや計算精度に課題があり、MOFの吸着特性の計算にはMOFの部分構造のみを取り出したモデルによる計算や、MOF骨格の原子位置を固定したモデルでの計算が広く用いられていました。一方で、MOFはガス吸着時にしばしば構造変化を起こし、MOFのガス吸着特性にはMOF骨格の柔軟性が大きく寄与することが一般的に知られています。Matlantisによって、MOFの完全な構造に対して構造柔軟性を考慮した計算を高速に行えることは、今後の新規MOF設計に重要な示唆を与えると期待されます。