Dinitrogen is the most abundant species in the air and an inert gas molecule making its separation difficult in other gas mixtures. In this theoretical study, selective binding of dinitrogen to the coordinatively unsaturated metal site in M-MOF-74 (M=Mg, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu) under external electric field is investigated. Simulation results suggest that external electric field enhances the $π^*$ back-bonding between the transition metal and dinitrogen molecule while weakening σ bond between the metal and other small gas molecules such as $CH_4$ and $CO_2$. In particular, Co-MOF-74 and Fe-MOF-74 show the highest increase in dinitrogen binding energy. As a result, the binding energy of dinitrogen is more than twice that of $CH_4$ and $CO_2$. Our work demonstrates that asymmetric effect that the electric field casts on different gas molecules can serve as another dimension of design that can be exploited in small gas molecule separations via metal-organic frameworks.
질소 가스는 공기중에서 가장 흔하면서도 비활성의 기체 분자로써 가스 혼합물에서의 분리가 쉽지 않다. 본 이론 연구에서는 외부 전기장을 가할 때 M-MOF-74 (M = Mg, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu)의 노출된 금속 결합부위에 질소가스의 선택적 흡착을 연구하였다. 시뮬레이션 결과에 따르면 외부 전기장은 전이금속과 질소 분자 사이의 파이-역결합을 강화하는 동시에 금속과 메테인 및 이산화탄소와 같은 다른 기체 분자 사이의 시그마 결합을 약화시킨다. 특히 Co-MOF-74와 Fe-MOF-74에서 질소 분자의 결합에너지 증가율이 가장 높았고, 증가한 결합에너지는 메테인 및 이산화탄소의 결합에너지보다 2배 이상 높았다. 우리의 연구는 전기장이 서로 다른 가스 분자에 가하는 정반대의 효과가 금속-유기 구조체를 통한 가스 혼합물 분리에 활용될 수 있는 새로운 설계법으로 작용할 수 있음을 보여준다.
