DFT modeling of CO2 capture mechanism over (N-methylaminopropyl)-trimethoxysilane-modified mesoporous silica

Abstract

Karbondioksitin amin ile modifiye edilmiş katı adsorbanlar ile olan etkileşim mekanizmalarının belirlenmesi, küresel ısınmanın zararlı etkilerini hafifletmek için gelecekte kullanılacak olan yüksek performanslı sorbentlerin geliştirilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Bu nedenle, bu çalışma karbon dioksitin DFT modellemesi kullanılarak trimetoksi[3-(metilamino)propil]silan (MAPS) ile modifiye edilmiş mezeporlu silika adsorbanları üzerindeki tutulum mekanizmalarının incelenmesini ve yüzeyde bulunan serbest silanol yoğunluğu ile birlikte amin yoğunluğunun bu mekanizmalar üzerindeki etkilerini incelemeyi amaçlamaktadır. Yaptığımız hesaplamalar karbon dioksitin amonyum karbamat ve karbamik asit olarak tutulduğunu, her iki yapının oluşumu için izole amin yapılarından ziyade amin çiftlerine ihtiyaç duyulduğunu göstermiştir. Ayrıca, yüzey silanollerinin karbon dioksitin tutunumunda önemli bir rol oynadığı gözlemlenmiş, bu rolün sadece adsorpsiyon sırasında oluşan yapıların stabilizasyonuyla sınırlı kalmadığı, bu yapıların reaksiyon mekanizmasına doğrudan katılabildikleri de görülmüştür. Diğer yandan, bu çalışmada kullanılan koşullar altında amin türünün karbon dioksit yakalama mekanizmaları üzerinde belirleyici bir etkisi olmadığı da gözlenmiştir.

Determination of the CO2 interaction mechanisms with amine-modified solid adsorbents plays an important role in the development of highly efficient sorbents that would meet the future requirements to mitigate the severe effects of global warming. Accordingly, this study aimed to examine the CO2 capture mechanism over trimethoxy[3-(methylamino)propyl]silane (MAPS)-functionalized mesoporous silica using DFT modeling and to clarify the effect of free surface silanol density as well as amine density on the capture mechanism. Our calculations indicated that carbamic acid and ammonium carbamate were the two main products, formation of both requiring amine pairs rather than isolated amine structures. Besides, surface silanols were observed to play a significant role on the capture of CO2, they were not only effective on the stabilization of the adsorption species but can also directly participate in the reaction mechanism. Amine functionality, on the other hand, seemed to be less deterministic on the capture under the conditions employed in this study.