Estudio de superficies de energı́a potencial y dinámica de moléculas encapsuladas en Hidrato-Clatratos

Abstract

Los hidratos clatratos de dióxido de carbono son compuestos de inclusión que se han propuesto como posibles materiales moleculares en la lucha contra problemas ambientales relacionados con la captura y el almacenamiento de gases de efecto invernadero. A pesar del creciente interés en tales hidratos y sus aplicaciones tecnológicas, el nivel de comprensión molecular de su formación y caracterı́sticas aún está lejos de ser completo. El modelado de las interacciones es una tarea costosa computacionalmente, sin embargo es esencial para determinar de manera confiable las propiedades moleculares. Este trabajo tiene como objetivo estudiar las interacciones jaula-huésped dominadas por enlaces de hidrógeno y fuerzas van der Waals en un clatrato con estructura sI y CO 2 encapsulado. Se investigaron sistemáticamente diferentes funcionales de densidad por medio de cálculos periódicos ab initio en el marco de la Teorı́a del Funcional Densidad para lo que se realizó una evaluación comparativa del rendimiento de los funcionales PBE, revPBE, PW86PBE, PW91, BLYP, opt88B y optB86b, considerando correcciones de dispersión locales tales como el modelo de Momento Dipolar de Intercambio (XDM) y el modelo semiempı́rico de Grimme (DFT-D2), ası́ como funcionales no locales tipo optB88vdW y optB86bvdW. Las interacciones se estudiaron mediante la estimación de las energı́as de unión, de cohesión y saturación para diferentes configuraciones del sistema. Los resultados obtenidos señalan que las interacciones de dispersión son importantes en la estabilización de las energı́as jaula-huésped y la encapsulación del CO2 dentro de las jaulas es energéticamente favorable. Ademas se concluye que los funcionales PW86PBE y PBE con dispersión XDM son capaces de predecir la estructura de equilibrio y dar razón de las interacciones del sistema.

Abstract: Clathrate hydrates of CO 2 are inclusion compounds that have been proposed as possible molecular materials in the fight against environmental problems related with greenhouse gases capture and storage. Despite the increasing interest in such hydrates and their technological applications, the molecular level understanding of their formation and characteristics is still far from complete. Modeling of interactions is a challenging and computational demanding task, however it is essential to reliably determine the molecular properties. The objective of this work is to study the cage-host interactions dominated by hydrogen bonds and van der Waals forces in a sI clathrate with encapsulated CO 2 . Different density functionals were systematically investigated by periodic ab initio calculations within the framework of the Functional Density Theory. A benchmarking the performance of PBE, revPBE, PW86PBE, PW91, BLYP, opt88B and optB86b functionals was carried out, this work considers local dispersion corrections such as the Exchange-hole Dipole Moment (XDM) and the Grimme semi-empirical model (DFT-D2), as well as the non-local functional optB88vdW and optB86bvdW. The interactions were studied by estimating the binding, cohesion and saturation energies for different system configurations. The results indicate that the dispersion interactions are important in the stabilization of the cage-host energies, that encapsulation of the CO2 in the cages is energetically favorable. We may conclude that functionals PW86PBE and PBE with XDM correction are able to predict the equilibrium structure and give a descripcion for the interactions of the system.