[發明專利]基于計算機模擬可控生成缺陷網狀骨架材料模型的方法

有效

• 申請號: 202011187599.6
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112382351B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發明（設計）人: 吳穎;段海鵬;奚紅霞
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G06F30/20
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 鄭浦娟

本發明公開了一種基于計算機模擬可控生成缺陷網狀骨架材料模型的方法，該方法包括標記節點與配體的對接原子、識別和刪除對接原子之間的化學鍵、生成材料的網絡近鄰列表、定量控制缺陷含量和分布、重建連接鍵和刪除孤立節點。本發明方法適用于多種類型網狀骨架材料缺陷結構的構建，能夠高效快速地、定量地遍歷網狀骨架材料缺陷的含量和分布范圍，可大批量生成一系列缺陷結構，為后續從統計學角度系統地研究缺陷網狀骨架材料的定量構效關系提供高質量的理論模型。

技術領域

本發明涉及計算機模擬定量調控材料結構技術領域，特別涉及一種基于計算機模擬可控生成缺陷網狀骨架材料模型的方法。

背景技術

Omar M.Yaghi教授作為“網狀化學”的開拓者，通過對分子成鍵方式、網絡拓補學結構的精細設計和調控，發展了一系列新型的長程有序多孔材料，如金屬有機骨架(MOFs)材料、沸石咪唑酸酯骨架(ZIFs)材料、共價有機骨架(COFs)材料等。其中MOFs材料種類最多，也是目前研究最為廣泛和最為深入的網狀骨架材料。由于組成結構單元和連接方式多樣且高度可調，MOFs材料可以實現多種孔道環境以適應不同的應用需求，在吸附、分離、催化、藥物運輸等多個領域表現出巨大的應用潛力。例如，由Omar K.Farha教授課題組首次合成的NU-1501-Al兼具高質量比表面積(7310m²/g)和高體積比表面積(2060m2/cm3)，對甲烷的可輸出儲量高達238v(STP)/v，對氫氣的可輸出儲量達到14wt％，是迄今為止對能源氣體吸附儲存量最高的MOFs材料之一。

然而，以吸附分離的應用需求為導向開發高性能MOFs材料卻面臨兩個瓶頸問題：1、吸附容量和分離性能的矛盾。高吸附容量需要較大的孔道，但是大孔道對混合氣體分子的篩分效果較弱。2、吸附容量和材料結構穩定性的矛盾。高吸附容量的MOFs材料往往需要較長的有機配體，但長配體會導致材料結構的機械穩定性較差。因此，開發同時兼具吸附性能、分離性能和結構穩定性的MOFs材料成為國內外的研究熱點。

目前，強化MOFs吸附分離性能的主要途徑有：(I)延長有機配體，提高材料的比表面積和孔容，但延長配體不僅會降低材料的結構穩定性，而且容易導致“互穿”結構的形成而降低孔隙率，反而不利于氣體傳質；(II)增加活性位點，強化材料與混合物中其中一種組分的作用力，但需避免多組分競爭吸附的問題，實驗合成較復雜苛刻；(III)利用柔性MOFs的結構膨脹/收縮形變，提高氣體釋放量，但柔性骨架也存在結構不穩定的問題。缺陷工程技術作為一種新興的MOFs性能強化方法，利用溫和的手段人為破壞部分配體或金屬簇，在維持材料穩定性的基礎上，又同時具有局部擴大孔道(增強傳質)和適量增加活性位點的雙重功能，在氣體吸附分離應用中展示了獨特的優勢。

例如，在HKUST-1中引入介孔尺度的結構缺陷可使材料的甲烷工作吸附量提高16％。通過引入缺陷調控UiO-66和孔徑和比表面積，使材料對不同尺寸的分子(如SO2、環氧己烷、甲苯等)具有識別吸附能力。但是，MOFs的缺陷程度由其含量和分布兩個維度決定，一種MOF材料可能產生的缺陷結構可能性很多，而且目前實驗技術尚未能精確表征其缺陷含量和分布，計算模擬層面上也缺少能夠同時定量控制MOFs缺陷含量和分布的有效方法，導致大規模收集缺陷MOFs的結構統計學數據幾乎不可能。這也是缺陷MOFs的構效關系研究難以深入開展的重要原因。

因此，本領域需要一種基于計算機模擬可批量、可控生成缺陷MOFs模型的方法，能夠構建涵蓋特定MOFs所有可能的缺陷結構模型，為后續從統計學角度系統地研究缺陷MOFs的構效關系提供理論模型基礎。

發明內容

本發明的第一目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種基于計算機模擬可控生成缺陷網狀骨架材料模型的方法，該方法能夠以數學方式精確地遍歷網狀骨架材料中缺陷含量和分布范圍，能夠普適地生成網狀骨架材料的所有可能缺陷結構。

本發明的第二目的在于提供一種計算設備。

本發明的第一目的通過下述技術方案實現：一種基于計算機模擬可控生成缺陷網狀骨架材料模型的方法，包括如下步驟：