Ab Initio Study of the Adsorption of Small Molecules on Metal-Organic Frameworks with Oxo-centered Trimetallic Building Units: The Role of the Undercoordinated Metal Ion

Inorganic Chemistry

Volumn 54, Issue 17, 2015, Pages 8251-8263

  Mavrandonakis, Andreas ^a   Vogiatzis, Konstantinos D ^b,c   Boese, A Daniel ^d   Fink, Karin ^c   Heine, Thomas ^a   Klopper, Wim ^b,c  

^a JACOBS UNIVERSITY BREMEN   (Germany)

^b KARLSRUHE INSTITUTE OF TECHNOLOGY   (Germany)

^c KARLSRUHE INSTITUTE OF TECHNOLOGY   (Germany)

^d UNIVERSITY OF GRAZ   (Austria)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

EID: 84941286898     PISSN: 00201669     EISSN: 1520510X     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/acs.inorgchem.5b00689     Document Type: Article

References (94)

1. Lee, J.; Farha, O. K.; Roberts, J.; Scheidt, K. A.; Nguyen, S. T.; Hupp, J. T. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1450-1459 10.1039/b807080f
2. Czaja, A. U.; Trukhan, N.; Müller, U. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1284-1293 10.1039/b804680h
3. Murray, L. J.; Dinca, M.; Long, J. R. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1294-1314 10.1039/b802256a
4. Li, J.-R.; Kuppler, R. J.; Zhou, H.-C. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1477-1504 10.1039/b802426j
5. Yaghi, O. M.; O'Keeffe, M.; Ockwig, N. W.; Chae, H. K.; Eddaoudi, M.; Kim, J. Nature 2003, 423, 705-714 10.1038/nature01650
6. Panella, B.; Hirscher, M. In Handbook of Hydrogen Storage; Hirscher, M., Ed.; Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim, Germany, 2010.
7. Sumida, K.; Rogow, D. L.; Mason, J. A.; McDonald, T. M.; Bloch, E. D.; Herm, Z. R.; Bae, T.-H.; Long, J. R. Chem. Rev. 2012, 112, 724-781 10.1021/cr2003272
8. Millward, A. R.; Yaghi, O. M. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 17998-17999 10.1021/ja0570032
9. Dinca, M.; Long, J. R. Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47, 6766-6779 10.1002/anie.200801163
10. Mason, J. A.; Sumida, K.; Herm, Z. R.; Krishna, R.; Long, J. R. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 3030-3040 10.1039/c1ee01720a
11. Fitzgerald, S. A.; Pierce, C. J.; Rowsell, J. L. C.; Bloch, E. D.; Mason, J. A. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 9458-9464 10.1021/ja402103u
12. Oh, H.; Savchenko, I.; Mavrandonakis, A.; Heine, T.; Hirscher, M. ACS Nano 2014, 8, 761-770 10.1021/nn405420t
13. Mondloch, J. E.; Karagiaridi, O.; Farha, O. K.; Hupp, J. T. CrystEngComm 2013, 15, 9258-9264 10.1039/c3ce41232f
14. St. Petkov, P.; Vayssilov, G. N.; Liu, J.; Shekhah, O.; Wang, Y.; Wöll, C.; Heine, T. ChemPhysChem 2012, 13, 2025-2029 10.1002/cphc.201200222
15. Vimont, A.; Goupil, J.-M.; Lavalley, J.-C.; Daturi, M.; Surblé, S.; Serre, C.; Millange, F.; Férey, G.; Audebrand, N. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 3218-3227 10.1021/ja056906s
16. Garrone, E.; Otero Areán, C. Chem. Soc. Rev. 2005, 34, 846-857 10.1039/b407049f
17. Han, S. S.; Mendoza-Cortés, J. L.; Goddard, W. A., III. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1460-1476 10.1039/b802430h
18. Holden, D.; Jelfs, K. E.; Cooper, A. I.; Trewin, A.; Willock, D. J. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 16639-16651 10.1021/jp305129w
19. Addicoat, M. A.; Vankova, N.; Akter, I. F.; Heine, T. J. Chem. Theory Comput. 2014, 10, 880-891 10.1021/ct400952t
20. Koh, H. S.; Rana, M. K.; Hwang, J.; Siegel, D. J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 4573-4581 10.1039/c3cp50622c
21. Park, J.; Kim, H.; Han, S.; Jung, Y. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 826-829 10.1021/jz300047n
22. Yu, D.; Yazaydin, O. A.; Lane, J. R.; Dietzel, P. D. C.; Snurr, R. Q. Chem. Sci. 2013, 4, 3544-3556 10.1039/c3sc51319j
23. Lee, K.; Isley, W. C.; Dzubak, A. L.; Verma, P.; Stoneburner, S. J.; Lin, L.-C.; Howe, J. D.; Bloch, E. D.; Reed, D. a; Hudson, M. R.; Brown, C. M.; Long, J. R.; Neaton, J. B.; Smit, B.; Cramer, C. J.; Truhlar, D. G.; Gagliardi, L. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 698-704 10.1021/ja4102979
24. Sumida, K.; Stück, D.; Mino, L.; Chai, J.-D.; Bloch, E. D.; Zavorotynska, O.; Murray, L. J.; Dincə, M.; Chavan, S.; Bordiga, S.; Head-Gordon, M.; Long, J. R. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 1083-1091 10.1021/ja310173e
25. Bak, J. H.; Le, V.-D.; Kang, J.; Wei, S.-H.; Kim, Y.-H. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 7386-7392 10.1021/jp210985a
26. Canepa, P.; Arter, C. A.; Conwill, E. M.; Johnson, D. H.; Shoemaker, B. A.; Soliman, K. Z.; Thonhauser, T. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 13597-13604 10.1039/c3ta12395b
27. Lee, K.; Howe, J. D.; Lin, L.-C.; Smit, B.; Neaton, J. B. Chem. Mater. 2015, 27, 668-678 10.1021/cm502760q
28. Suh, M. P.; Park, H. J.; Prasad, T. K.; Lim, D.-W. Chem. Rev. 2012, 112, 782-835 10.1021/cr200274s
29. Getman, R. B.; Bae, Y.-S.; Wilmer, C. E.; Snurr, R. Q. Chem. Rev. 2012, 112, 703-723 10.1021/cr200217c
30. Klontzas, E.; Tylianakis, E.; Froudakis, G. E. J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 1824-1830 10.1021/jz2005368
31. Getman, R. B.; Miller, J. H.; Wang, K.; Snurr, R. Q. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 2066-2075 10.1021/jp1094068
32. Cannon, R. D.; White, R. P. In Progress in Inorganic Chemistry, Vol. 36; Lippard, S. J., Ed.; John Wiley & Sons: New York, 1988; pp 195-298.
33. Volkringer, C.; Popov, D.; Loiseau, T.; Férey, G.; Burghammer, M.; Riekel, C.; Haouas, M.; Taulelle, F. Chem. Mater. 2009, 21, 5695-5697 10.1021/cm901983a
34. Mowat, J. P. S.; Miller, S. R.; Slawin, A. M. Z.; Seymour, V. R.; Ashbrook, S. E.; Wright, P. A. Microporous Mesoporous Mater. 2011, 142, 322-333 10.1016/j.micromeso.2010.12.016
35. Lieb, A.; Leclerc, H.; Devic, T.; Serre, C.; Margiolaki, I.; Mahjoubi, F.; Lee, J. S.; Vimont, A.; Daturi, M.; Chang, J.-S. Microporous Mesoporous Mater. 2012, 157, 18-23 10.1016/j.micromeso.2011.12.001
36. Férey, G.; Serre, C.; Mellot-Draznieks, C.; Millange, F.; Surblé, S.; Dutour, J.; Margiolaki, I. Angew. Chem., Int. Ed. 2004, 43, 6296-6301 10.1002/anie.200460592
37. Horcajada, P.; Surblé, S.; Serre, C.; Hong, D.-Y.; Seo, Y.-K.; Chang, J.-S.; GreneÌche, J.-M.; Margiolaki, I.; Férey, G. Chem. Commun. 2007, 100, 2820-2822 10.1039/b704325b
38. Serra-Crespo, P.; Ramos-Fernandez, E. V.; Gascon, J.; Kapteijn, F. Chem. Mater. 2011, 23, 2565-2572 10.1021/cm103644b
39. Biswas, S.; Couck, S.; Grzywa, M.; Denayer, J. F. M.; Volkmer, D.; Van Der Voort, P. Eur. J. Inorg. Chem. 2012, 2012, 2481-2486 10.1002/ejic.201200106
40. Férey, G.; Mellot-Draznieks, C.; Serre, C.; Millange, F.; Dutour, J.; Surblé, S.; Margiolaki, I. Science 2005, 309, 2040-2042 10.1126/science.1116275
41. Bauer, S.; Serre, C.; Devic, T.; Horcajada, P.; Marrot, J.; Férey, G.; Stock, N. Inorg. Chem. 2008, 47, 7568-7576 10.1021/ic800538r
42. Dhakshinamoorthy, A.; Alvaro, M.; Chevreau, H.; Horcajada, P.; Devic, T.; Serre, C.; Garcia, H. Catal. Sci. Technol. 2012, 2, 324-330 10.1039/C2CY00376G
43. Liu, Y.; Eubank, J. F.; Cairns, A. J.; Eckert, J.; Kravtsov, V. C.; Luebke, R.; Eddaoudi, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2007, 46, 3278-3283 10.1002/anie.200604306
44. Pang, M.; Cairns, A. J.; Liu, Y.; Belmabkhout, Y.; Zeng, H. C.; Eddaoudi, M. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 13176-13179 10.1021/ja3049282
45. Szilágyi, P. á.; Serra-Crespo, P.; Dugulan, I.; Gascon, J.; Geerlings, H.; Dam, B. CrystEngComm 2013, 15, 10175-10178 10.1039/c3ce42006j
46. Ahlrichs, R.; Bär, M.; Haser, M.; Horn, H.; Kölmel, C. Chem. Phys. Lett. 1989, 162, 165-169 10.1016/0009-2614(89)85118-8
47. TURBOMOLE V6.5 2013, a development of University of Karlsruhe and Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 1989-2007, TURBOMOLE GmbH, since 2007; available from www.turbomole.com.
48. Deglmann, P.; Furche, F.; Ahlrichs, R. Chem. Phys. Lett. 2002, 362, 511-518 10.1016/S0009-2614(02)01084-9
49. Perdew, J. P.; Ernzerhof, M.; Burke, K. J. Chem. Phys. 1996, 105, 9982-9985 10.1063/1.472933
50. Weigend, F.; Ahlrichs, R. Phys. Chem. Chem. Phys. 2005, 7, 3297-3305 10.1039/b508541a
51. Grimme, S.; Antony, J.; Ehrlich, S.; Krieg, H. J. Chem. Phys. 2010, 132, 154104 10.1063/1.3382344
52. Hättig, C. J. Chem. Phys. 2003, 118, 7751-7761 10.1063/1.1564061
53. Weigend, F.; Häser, M.; Patzelt, H.; Ahlrichs, R. Chem. Phys. Lett. 1998, 294, 143-152 10.1016/S0009-2614(98)00862-8
54. Figgen, D.; Peterson, K. A.; Dolg, M.; Stoll, H. J. Chem. Phys. 2009, 130, 164108 10.1063/1.3119665
55. Hill, J. G. J. Chem. Phys. 2011, 135, 044105 10.1063/1.3615062
56. Kutzelnigg, W.; Morgan, J. D. I. J. Chem. Phys. 1992, 96, 4484-4508 10.1063/1.462811
57. Halkier, A.; Helgaker, T.; Jorgensen, P.; Klopper, W.; Koch, H.; Olsen, J.; Wilson, A. K. Chem. Phys. Lett. 1998, 286, 243-252 10.1016/S0009-2614(98)00111-0
58. Martin, J. M. L.; de Oliveira, G. J. Chem. Phys. 1999, 111, 1843 10.1063/1.479454
59. Bickelhaupt, M. F.; Baerends, E. J. In Reviews in Computational Chemistry; Lipkowitz, K. B.; Boyd, D. D., Eds.; John Wiley & Sons: New York, 2007; Vol. 15.
60. Nalewajski, R. F.; Mrozek, J.; Michalak, A. Int. J. Quantum Chem. 1997, 61, 589-601 10.1002/(SICI)1097-461X(1997)61:3<589::AID-QUA28>3.0.CO;2-2
61. Michalak, A.; DeKock, R. L.; Ziegler, T. J. Phys. Chem. A 2008, 112, 7256-7263 10.1021/jp800139g
62. te Velde, G.; Bickelhaupt, F. M.; Baerends, E. J.; Fonseca Guerra, C.; van Gisbergen, S. J. A.; Snijders, J. G.; Ziegler, T. J. Comput. Chem. 2001, 22, 931-967 10.1002/jcc.1056
63. Heßelmann, A.; Manby, F. R. J. Chem. Phys. 2005, 123, 164116 10.1063/1.2072887
64. Misquitta, A. J.; Szalewicz, K. Chem. Phys. Lett. 2002, 357, 301-306 10.1016/S0009-2614(02)00533-X
65. Werner, H.-J.; Knowles, P. J.; Knizia, G.; Manby, F. R.; Schütz, M.; Celani, P.; Korona, T.; Lindh, R.; Mitrushenkov, A.; Rauhut, G.; Shamasundar, K. R.; Adler, T. B.; Amos, R. D.; Bernhardsson, A.; Berning, A.; Cooper, D. L.; Deegan, M. J. O.; Dobbyn, A. J.; Eckert, F.; Goll, E.; Hampel, C.; Hesselmann, A.; Hetzer, G.; Hrenar, T.; Jansen, G.; Köppl, C.; Liu, Y.; Lloyd, A. W.; Mata, R. A.; May, A. J.; McNicholas, S. J.; Meyer, W.; Mure, M. E.; Nicklaß, A.; O'Neill, D. P.; Palmieri, P.; Peng, D.; Pflüger, K.; Pitzer, R.; Reiher, M.; Shiozaki, T.; Stoll, H.; Stone, A. J.; Tarroni, R.; Thorsteinsson, T.; Wang, M. MOLPRO, version 2012.1, a package of ab initio programs; see http://www.molpro.net.
66. Balabanov, N. B.; Peterson, K. A. J. Chem. Phys. 2005, 123, 064107 10.1063/1.1998907
67. Dunning, T. H. J. J. Chem. Phys. 1989, 90, 1007-1023 10.1063/1.456153
68. Vogiatzis, K. D.; Klopper, W.; Mavrandonakis, A.; Fink, K. ChemPhysChem 2011, 12, 3307-3319 10.1002/cphc.201100559
69. Supronowicz, B.; Mavrandonakis, A.; Heine, T. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 14570-14578 10.1021/jp4018037
70. Hättig, C.; Klopper, W.; Köhn, A.; Tew, D. P. Chem. Rev. 2012, 112, 4-74 10.1021/cr200168z
71. Kong, L.; Bischoff, F. A.; Valeev, E. F. Chem. Rev. 2012, 112, 75-107 10.1021/cr200204r
72. Helgaker, T.; Klopper, W.; Tew, D. P. Mol. Phys. 2008, 106, 2107-2143 10.1080/00268970802258591
73. Vogiatzis, K. D.; Barnes, E. C.; Klopper, W. Chem. Phys. Lett. 2011, 503, 157-161 10.1016/j.cplett.2010.12.065
74. Vogiatzis, K. D.; Haunschild, R.; Klopper, W. Theor. Chem. Acc. 2014, 133, 1446 10.1007/s00214-014-1446-0
75. Vogiatzis, K. D.; Klopper, W. Mol. Phys. 2013, 111, 2299-2305 10.1080/00268976.2013.805888
76. Ahnen, S.; Hehn, A.-S.; Vogiatzis, K. D.; Trachsel, M. A.; Leutwyler, S.; Klopper, W. Chem. Phys. 2014, 441, 17 10.1016/j.chemphys.2014.05.023
77. Boys, S. F.; Bernardi, F. Mol. Phys. 1970, 19, 553-566 10.1080/00268977000101561
78. Yu, K.; Kiesling, K.; Schmidt, J. R. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 20480-20488 10.1021/jp307894e
79. Bloch, E. D.; Hudson, M. R.; Mason, J. a; Chavan, S.; CrocellaÌ, V.; Howe, J. D.; Lee, K.; Dzubak, A. L.; Queen, W. L.; Zadrozny, J. M.; Geier, S. J.; Lin, L.-C.; Gagliardi, L.; Smit, B.; Neaton, J. B.; Bordiga, S.; Brown, C. M.; Long, J. R. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 10752-10761 10.1021/ja505318p
80. Reed, A. E.; Weinstock, R. B.; Weinhold, F. J. Chem. Phys. 1985, 83, 735-746 10.1063/1.449486
81. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Mennucci, B.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Caricato, M.; Li, X.; Hratchian, H. P.; Izmaylov, A. F.; Bloino, J.; Zheng, G.; Sonnenberg, J. L.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda, R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Vreven, T.; Montgomery, J. A., Jr.; Peralta, J. E.; Ogliaro, F.; Bearpark, M.; Heyd, J. J.; Brothers, E.; Kudin, K. N.; Staroverov, V. N.; Kobayashi, R.; Normand, J.; Raghavachari, K.; Rendell, A.; Burant, J. C.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Cossi, M.; Rega, N.; Millam, M. J.; Klene, M.; Knox, J. E.; Cross, J. B.; Bakken, V.; Adamo, C.; Jaramillo, J.; Gomperts, R.; Stratmann, R. E.; Yazyev, O.; Austin, A. J.; Cammi, R.; Pomelli, C.; Ochterski, J. W.; Martin, R. L.; Morokuma, K.; Zakrzewski, V. G.; Voth, G. A.; Salvador, P.; Dannenberg, J. J.; Dapprich, S.; Daniels, A. D.; Farkas, Ö.; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cioslowski, J.; Fox, D. J. Gaussian 09, Revision D.01; Gaussian: Wallingford, CT, 2009.
82. Ibarra, I. A.; Lin, X.; Yang, S.; Blake, A. J.; Walker, G. S.; Barnett, S. a; Allan, D. R.; Champness, N. R.; Hubberstey, P.; Schröder, M. Chem.-Eur. J. 2010, 16, 13671-13679 10.1002/chem.201000926
83. Areán, C. O.; Cabello, C. P.; Palomino, G. T. Chem. Phys. Lett. 2012, 521, 104-106 10.1016/j.cplett.2011.11.054
84. Palomino, G. T.; Cabello, C. P.; Areán, C. O. Eur. J. Inorg. Chem. 2011, 2011, 1703-1708 10.1002/ejic.201001116
85. Chavan, S. M.; Zavorotynska, O.; Lamberti, C.; Bordiga, S. Dalton Trans. 2013, 42, 12586-12595 10.1039/c3dt51312b
86. Woo, S.-J.; Lee, E.-S.; Yoon, M.; Kim, Y.-H. Phys. Rev. Lett. 2013, 111, 066102 10.1103/PhysRevLett.111.066102
87. Moellmer, J.; Celer, E. B.; Luebke, R.; Cairns, A. J.; Staudt, R.; Eddaoudi, M.; Thommes, M. Microporous Mesoporous Mater. 2010, 129, 345-353 10.1016/j.micromeso.2009.06.014
88. Kubas, G. J. Chem. Rev. 2007, 107, 4152-4205 10.1021/cr050197j
89. Llewellyn, P. L.; Bourrelly, S.; Serre, C.; Vimont, A.; Daturi, M.; Hamon, L.; De Weireld, G.; Chang, J.-S.; Hong, D.-Y.; Hwang, Y. K.; Jhung, S. H.; Férey, G. Langmuir 2008, 24, 7245-7250 10.1021/la800227x
90. Hong, D.-Y.; Hwang, Y. K.; Serre, C.; Férey, G.; Chang, J.-S. Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 1537-1552 10.1002/adfm.200801130
91. Chowdhury, P.; Bikkina, C.; Gumma, S. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 6616-6621 10.1021/jp811418r
92. Yoon, J. W.; Seo, Y.-K.; Hwang, Y. K.; Chang, J.-S.; Leclerc, H.; Wuttke, S.; Bazin, P.; Vimont, A.; Daturi, M.; Bloch, E.; Llewellyn, P. L.; Serre, C.; Horcajada, P.; Grenèche, J.-M.; Rodrigues, A. E.; Férey, G. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49, 5949-5952 10.1002/anie.201001230
93. Bader, R. F. W. Atoms in Molecules-A Quantum Theory; Oxford University Press: Oxford, U.K., 1990.
94. Volkringer, C.; Leclerc, H.; Lavalley, J.; Loiseau, T.; Férey, G.; Daturi, M.; Vimont, A. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 5710-5719 10.1021/jp210671t