Methods for increasing accuracy in modelling metal organic frameworks
[ X ]
Tarih
2022
Yazarlar
Dergi Başlığı
Dergi ISSN
Cilt Başlığı
Yayıncı
Adana Alparslan Türkeş Bilim ve Teknoloji Üniversitesi
Erişim Hakkı
info:eu-repo/semantics/openAccess
Özet
Metal Organik Kafeslerin, gaz karışımı ayrımları için yüksek verimli taranması büyük miktarda veri üretmiştir. Raporlanmış gaz geçirgenlikleri genel olarak yaklaşık yöntem kullanılarak hesaplanmıştır. Alternatif bir yöntemin (yeni yöntem) geçirgenlik tahminleri, soy gaz karışımlarında yaklaşık yöntemin tahminlerini önemli ölçüde iyileştirdiği gösterilmiştir. Onsager katsayılarını kullanan ayrıntılı yöntemin gaz geçirgenliklerini yüksek doğrulukta hesapladığı kabul edilir, ancak Onsager katsayı matrisini oluşturmak, hesaplama açısından zahmetlidir ve özellikle yüksek verimli tarama çalışmaları için uygun değildir. Bu nedenle gaz karışımlarının geçirgenlik ve geçirgenlik seçiciliklerini hesaplamak için yeni veya yaklaşık yöntemler uygulanmıştır. Ancak, gözeneklerle dispersiyon ve elektrostatik etkileşime sahip gaz karışımları için bu yöntemlerin geçirgenlik tahminlerinin doğruluğu şimdiye kadar literatürde tartışılmamıştır. Tezimizin ilk bölümünde CO2, H2, CH4 karışımları için geçirgenlik hesaplamalarının doğruluğu sorgulanacaktır. MOF'ları taramada doğruluğu artırmak için başka bir yöntem, en iyi atomik yük hesaplama yöntemini belirlemektir. Yoğunluktan Türetilen Elektrostatik ve Kimyasal Yükler (DDEC) yöntemi, kimyasal olarak atomik yükler atamak için elektron yoğunluk dağılımının optimize edilmesine dayanmaktadır. Yöntem en güvenilir yöntem olarak kabul edilmektedir, ancak bu yöntem hesaplama açısından zorludur. Yük Dengeleme Yönteminin genişletilmiş bir versiyonu olan Yoğunluk Fonksiyon Teorisi (DFT) tabanlı olmayan Genişletilmiş Yük Hesaplama (EQeq) Yöntemi ise, elektronların tüm iyonizasyon enerjilerini hesaplamak için makul bir yük merkezi varsayımı gerektirerek atomik yükleri atamaktadır. Tezimizin ikinci bölümünde, EQeq aracılığıyla atanan yüklerin DDEC kullanılarak atanan yüklere göre doğruluğu araştırılmıştır ve MOF'ları modellemek için hangi yöntemin kullanılması gerektiği tartışılmıştır.
High throughput screening of metal organic frameworks (MOFs) for gas mixture separations have produced large amounts of data. Reported gas permeabilities have been mainly calculated using an approximate approach. Permeability predictions of an alternative method (new method) have shown to significantly improve the predictions of the approximate method for noble gas mixtures. Permeabilities calculated using Onsager coefficients, detailed method, are accepted as correct answers, however constructing Onsager coefficient matrix is computationally cumbersome and not feasible especially for the high throughput screenings. Thus, new or approximate methods have been applied for calculating permeability and permeation selectivities of gas mixtures. However, permeability prediction accuracies of these methods for gas mixtures having dispersion and electrostatic interactions with the pores have not been discussed in the literature so far. In the first part of this thesis, we question the accuracy of permeability predictions for CO 2, H 2, CH 4 mixtures. Another perspective to increase the accuracy for screening MOFs is to determine the best net atomic charge calculation method. Density Derived Electrostatic and Chemical Charges (DDEC) method relies on optimizing the atomic electron density distribution to assign a chemically meaningful atomic charges. The method is considered to be the most reliable method, however it is computationally demanding. Non-DFT based Extended Charge Calculation (EQeq) method which is developed as an extended version of the Charge Equilibration Method assigns atomic charges by just requiring a reasonable assumption for the charge centre to compute all the ionization energies of electrons. In the second part of the thesis, we investigate the accuracy of charges assigned via EQeq with respect to the charges assigned using DDEC and discuss which method should be used for modelling MOFs.
High throughput screening of metal organic frameworks (MOFs) for gas mixture separations have produced large amounts of data. Reported gas permeabilities have been mainly calculated using an approximate approach. Permeability predictions of an alternative method (new method) have shown to significantly improve the predictions of the approximate method for noble gas mixtures. Permeabilities calculated using Onsager coefficients, detailed method, are accepted as correct answers, however constructing Onsager coefficient matrix is computationally cumbersome and not feasible especially for the high throughput screenings. Thus, new or approximate methods have been applied for calculating permeability and permeation selectivities of gas mixtures. However, permeability prediction accuracies of these methods for gas mixtures having dispersion and electrostatic interactions with the pores have not been discussed in the literature so far. In the first part of this thesis, we question the accuracy of permeability predictions for CO 2, H 2, CH 4 mixtures. Another perspective to increase the accuracy for screening MOFs is to determine the best net atomic charge calculation method. Density Derived Electrostatic and Chemical Charges (DDEC) method relies on optimizing the atomic electron density distribution to assign a chemically meaningful atomic charges. The method is considered to be the most reliable method, however it is computationally demanding. Non-DFT based Extended Charge Calculation (EQeq) method which is developed as an extended version of the Charge Equilibration Method assigns atomic charges by just requiring a reasonable assumption for the charge centre to compute all the ionization energies of electrons. In the second part of the thesis, we investigate the accuracy of charges assigned via EQeq with respect to the charges assigned using DDEC and discuss which method should be used for modelling MOFs.
Açıklama
Fen Bilimleri Enstitüsü, Biyomühendislik Ana Bilim Dalı, Biyomühendislik Bilim Dalı
Anahtar Kelimeler
Biyomühendislik, Bioengineering ; Kimya Mühendisliği