Theoretical investigation of CO2 adsorption mechanism over (3-aminopropyl) trimethoxysilane- functionalized mesoporous silica sorbents

Abstract

Karbon dioksitin aminle modifiye edilmiş mezoporlu silika yapıları üzerindeki tutunma mekanizmalarının açıklığa kavuşturulması, yüksek performanslı katı adsorbanların geliştirilmesinde oldukça önemlidir. Bu çalışma, karbon dioksitin (3-aminopropil) trimetoksisilan (APTMS) ile modifiye edilmiş mezoporlu silika adsorbanları üzerindeki tutunma mekanizmalarının DFT modellemesi metoduyla araştırılmasını amaçlamaktadır. Çalışmada yüzeyde bulunan silanol yapılarının reaksiyon mekanizmasındaki rolünü aydınlatmak için farklı boyutlara ve yüzey amin yoğunluklarına sahip iki ayrı model kullanılmıştır. Hesaplamalarımız, karbon dioksitin daha çok amonyum karbamat ve karbamik asit olarak tutulduğunu, bunlardan karbamik asidin karbamata göre daha kararlı olduğunu ve karbamik asidin genellikle amonyum karbamat yapılarının protonasyonu yoluyla oluştuğunu ortaya koymuştur. Oluşan karbamik asit yapıları bünyelerinde barındırdıkları hidrojen bağları itibarıyla üç farklı gruba ayrılmıştır. Her ne kadar yüzeyde bulunan silanol yapılarını reaksiyon mekanizmasında aktif rol alabilecekleri gözlense de, bu mekanizmalar termodinamik ve kinetik açıdan incelendiğinde silanol yapılarının muhtemel görevinin tutunmada aktif rol oynamak yerine oluşan ara ve ana ürünleri stabilize etmek olduğu sonucına varıldı.

Clarification of the interaction mechanism of CO2 with the amine functionalized mesoporous silica sorbents is quite significant in the development of high-performance solid sorbents. This study aims to investigate the mechanism of CO2 capture by (3aminopropyl)trimethoxysilane (APTMS)-modified mesoporous silica by using DFT modeling. Two distinct models with differing size and surface amine density were employed for the study in order to elucidate the role of surface silanols on the reaction mechanism. Ammonium carbamate and carbamic acid were the two main adsorption products, carbamic acid being usually more stable and most likely being produced through the protonation of carbamate. Three types of carbamic acid were identified, each differing from one another in respect to the hydrogen bonding interactions involved in the structures. Direct participation of the surface silanols in the protonation/deprotonation steps of the mechanism was possible. However, our thermodynamic and kinetic considerations suggested that the role of surface silanols was more likely to stabilize the reaction species rather than being involved in the reaction mechanism directly.