新型骨架结构材料构效关系研究及设计

分子模拟手段特别适合纳微等小尺度问题的研究。本项目以分子模拟为关键技术，结合量化计算和实验测定，系统地进行MOFs和COFs两种新型骨架结构材料的构效关系研究及设计。改进分子力场和膜的算法，使模拟计算结果更可靠，通过系统的研究，揭示MOFs和COFs膜分离性能与其结构间内在关系的规律；发展一种将量化计算与分子模拟相结合的方法，用于MOFs和COFs的结构-催化性能关系研究，建立其定性、定量的关系；通过对有机配体改性、有机配体与金属离子匹配等方法，设计以膜分离和催化性能为目标的改性MOFs，并建立理论MOFs的结构与性能数据库；采用实验手段进行MOFs中气体吸附、膜分离和催化性能的测定，用于验证理论研究结果，并提供基础数据。本项目研究的膜分离性能和催化性能，系MOFs可能最先实现应用且具有优势的两个领域，对促进MOFs的基础研究及在化工中的应用具有重要的意义。

MOFs和COFs为两类重要的新型纳米多孔材料。围绕项目的研究内容与目标开展了研究，取得的主要成果包括：（1）验证了MOFs/COFs的通用分子力场的可靠性，并建立了可描述其动力学特性的柔性力场，提高了吸附与扩散性能，特别是膜分离性能的计算精度；（2）系统地开展了MOF/COF膜的构效关系与设计研究，包括：提出了“吸附度”新概念，实现了MOF/COF分离性能的定量构效关系的建立，已得到国内外同行的认可，获得了使用，并被扩展到多孔高分子体系中；建立了MOF/COF的材料基因组学方法，研发了从材料基因划分、基因库，到材料组装、材料库，及高通量筛选的材料基因组学方法，编制了具有自主知识产权的材料结构构筑软件MGPNM和材料性能高通量计算软件HT-CADSS，并获得了国家版权局的原始取得计算机软件成果登记，为由“经验指导实验”，向“理论预测、实验验证”的基于材料基因组学的材料新研发模式的转变，奠定了坚实的基础；建立了MOF/COF膜分离性能的构效关系，提出了高性能超薄膜的设计策略，并设计与合成了系列高性能的新膜材料，在化工领域的实际分离体系中的应用表明，所设计与合成的材料具有良好的应用前景，为化工实际应用，提供了新材料储备；（3）系统地进行了MOF/COF催化性能的构效关系研究及设计：探索了MOF中节点金属活性位与其结构间的关系，为MOF 的节点金属活性位催化性能的调控，提供了理论依据；进行了MOF 中酸性位表征，部分典型反应的机理及典型催化反应性能评价的研究，制备了系列磁性MOF催化材料，提高了MOF催化剂的回收效率，并获得了良好的性能；（4）利用材料基因组学的方法，建立了包含80余万种新材料的理论MOF/COF数据库，为高性能新材料的合成，提供了坚实的基础，可极大地促进MOF/COF的研发。. 本项目共发表SCI收录论文126篇，包括Nat. Comm., Chem. Rev., JACS, Angew. Chem. Int. Ed., AIChE J., CES等化工、化学重要期刊，出版专著1部；申请PCT专利2件（其中授权1件），申请国家发明专利18件（其中授权7件），获国家版权局计算机软件著作权2件。