Étude ab initio des propriétés de l'état excité des MOF photosensibles fonctionnalisées à l'azobenzène
Institution:
Université Grenoble AlpesDisciplines:
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Abstract EN:
Carbon capture and sequestration is emerging as an important technologyfor mitigation of climate change. Novel porous materials acting as solidstate adsorbents for CO2 gas have shown promising use of energy efficientcarbon capture using temperature and pressure swing operation forcapture. Metal-organic frameworks (MOFs), crystalline hybrid porousmaterials made up of organic linkers and metal nodes, constitute animportant family of candidate materials for carbon capture. MOFsfunctionalized with azobenzene, a widely studied photoswitch capable ofchanging its geometry from trans to cis configurations and vice-versaupon UV-Vis irradiation, are capable of capturing carbon with lightstimulated photoswitching process. The use of light as a stimulus, inthis case, can reduce greatly the energy costs of the carbon capture.Modeling atomistically the azobenzene functionalized PCN-123 MOF withinthe density functional theory (DFT), the correct ground state geometryof the photoswitch in cis and trans configuration is determined bycalculating potential energy surfaces along relevant degrees of freedom.This immediately reveals the microscopic mechanism of the carboncapture to be the blocking and unblocking of the metal-node, a prominentadsorption site of CO2, by the cis and trans configurations ofazobenzene. To achieve high efficiency of gas capture using such MOFs,the photoswitching of the azobenzene must be controlled by using lightstimuli of appropriate wavelengths yielding higher fractions of eitherisomers. A detailed understanding of the optical absorption of theazobenzene photoswitches is indispensable for the same. State-of-the-artmany-body perturbation theory (MBPT) methods, namely GW andBethe-Salpeter equation (BSE), are used to accurately compute andcharacterize the optical spectra of solvated azobenzene derivatives andazobenzene functionalized MOF. In case of solvated azobenzene molecules,the GW/BSE approach is combined with a non-equilibrium embedding schemeto account for the dielectric screening by the solvents. The problem ofthe dependence of the BSE spectra on DFT exchange-correlation functionalis addressed by tuning the PBE global hybrid functional such that theDFT and GW ionization potentials (IP) are matched to the fulfillment ofthe DFT ionization potential (IP) theorem. The IP-tuning coupled withnon-equilibrium embedding at BSE/GW yields very accurate excitationenergies and cis-trans band separations of a range of azobenzenederivatives. The BSE/GW spectra of PCN-123 MOF with cis or transconfigurations are calculated using both the periodic and molecularmodels using semilocal DFT starting point. In the low energy regime,visible, near UV and mid UV, optical excitations of the azobenzenefunctionalized MOF are associated with the azobenzene functionalization.In the low-energy regime, the BSE/GW spectra of the embedded molecularmodels of the MOF are in a reasonable agreement with thoseof periodic MOF paving way for computationally cheaper estimation of theoptical spectra of ligand-functionalized MOFs. A noticeable differencein the periodic and molecular spectra is the larger intensity of the S1excitation in the former which suggests a possibly more efficientphotoswitching of the azobenzene in the MOF than a standalone molecule.The use of MBPT methods also allows for a quantitative estimation of theelectron addition and removal energies for the MOFs. The parent MOF ofPCN-123, the MOF-5 was earlier considered as a semiconductor by severalcomputational and experimental studies. The GW/BSE calculations carriedout here suggest that it is a wide gap (8 eV) insulator with itsoptical excitations featuring strong excitonic bindings of more than 3eVs. Overall, the thesis sheds new light on the charged and neutralexcitations in azobenzene functionalized MOF suggesting new efficientand accurate computational strategies.
Abstract FR:
De nouveaux matériaux poreux agissant comme des adsorbants à l'état solide pour le gaz CO2 ont montré une utilisation prometteuse de la capture du carbone à haut rendement énergétique en utilisant un fonctionnement à température et pression variables. Les cadres métal-organique (MOF), des matériaux poreux hybrides cristallins constitués de liaisons organiques et de nœuds métalliques, constituent une famille importante de matériaux candidats pour le piégeage du carbone. Les MOF fonctionnalisés avec de l'azobenzène, un photoswitch largement étudié capable de changer sa géométrie de configuration trans à cis et vice-versa, sont capables de capturer le carbone avec un processus stimulé par la lumière. L'utilisation de la lumière comme stimulus peut réduire considérablement les coûts énergétiques du captage du carbone. En modélisant atomiquement l'azobenzène fonctionnalisé PCN-123 MOF dans le cadre de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT), la géométrie correcte de l'état fondamental du photoswitch en configuration cis et trans est déterminée en calculant les surfaces d'énergie potentielles selon les degrés de liberté pertinents. Cela révèle immédiatement que le mécanisme microscopique de la capture du carbone est le blocage et le déblocage du nœud métallique, un site d'adsorption important du CO2, par les configurations cis et trans de l'azobenzène. Pour obtenir une grande efficacité du captage de gaz à l'aide de ces MOF, la commutation de la lumière doit être contrôlée en utilisant des stimuli lumineux de longueurs d'onde appropriées qui donnent des fractions plus élevées de l'un ou l'autre des isomères. Une compréhension détaillée de l'absorption optique des photoswitches de l'azobenzène est indispensable pour cela. Les méthodes de pointe de la théorie des perturbations à corps multiples (MBPT), à savoir la GW et l'équation de Bethe-Salpeter (BSE), sont utilisées pour calculer et caractériser avec précision les spectres optiques des azobenzènes solvatés et des MOF fonctionnalisés par l'azobenzène. Dans le cas des molécules d'azobenzène solvatées, l'approche GW/BSE est combinée avec un schéma d'encastrement hors équilibre pour tenir compte du criblage diélectrique par les solvants. Le problème de la dépendance des spectres de l'ESB à la fonction d'échange-corrélation de la TFD est résolu en réglant la fonction hybride globale PBE de telle sorte que les potentiels d'ionisation (IP) de la TFD et de la GW soient adaptés à la réalisation du théorème du potentiel d'ionisation (IP) de la TFD. Le réglage du potentiel d'ionisation couplé à l'intégration en non-équilibre à l'ESB/GW permet d'obtenir des énergies d'excitation très précises et des séparations de bandes cis-trans d'une série de dérivés de l'azobenzène. Les spectres ESB/GW du MOF PCN-123 avec des configurations cis ou trans sont calculés à l'aide des modèles périodiques et moléculaires en utilisant le point de départ de la TFD semi-focale. Dans le régime de basse énergie, le visible, le proche UV et le moyen UV, les excitations optiques du MOF fonctionnalisé par l'azobenzène sont associées à l'azobenzène. Dans le régime de basse énergie, les spectres ESB/GW des modèles moléculaires intégrés des MOF sont en accord raisonnable avec ceux des MOF périodiques, ce qui permet d'estimer à moindre coût les spectres optiques des MOF fonctionnalisés par des ligands. L'utilisation des méthodes MBPT permet également une estimation quantitative des énergies d'addition et d'élimination des électrons pour les MOF. Le MOF-5, le MOF parent du PCN-123, était auparavant considéré comme un semi-conducteur par plusieurs études informatiques et expérimentales. Les calculs GW/BSE effectués ici suggèrent qu'il s'agit d'un isolant à large gap (8 eV) avec ses excitations optiques présentant de fortes liaisons excitoniques de plus de 3 eVs.