面向化工中气体分离的共价有机骨架材料的构效关系与设计

At present, new materials have become an important way to strengthen chemical separation processes. Covalent organic frameworks (COFs) possess many good chemical and structural features, which make them show promising applications in chemical industry separations. However, due to lacking the knowledge of the relationship between the separation performance and the internal micro-environment of COFs, the development of new COFs for efficient separations is in a trial-and-error way for a given system. In this project, by using multi-scale computational methods (molecular simulation and quantum chemistry calculation), structure-property relationships of COFs for important gas mixtures separation in chemical industry will be studied based on the large database of experimental COFs. With the obtained theoretical knowledge, highly efficient COFs will be constructed for each separation system in light of the high structural designability and functional tenability of COFs. The results of this project are of great theoretical value and practical significance to facilitate the fundamental research of COFs as well as the development of novel materials toward practical applications.

目前，新材料的介入已成为强化化工分离过程的重要手段。共价有机骨架材料（COFs）独特的化学、结构特点，使其有望在化工分离领域发挥重要作用。目前存在的问题是，针对特定分离体系，由于缺乏分离性能与材料内部微环境之间关系的了解，使得材料设计与制备的效率不高、缺乏针对性。本项目借助分子模拟、量化计算等多尺度理论计算手段，通过构建已合成COF材料的大数据库，以重要化工气体分离体系为应用导向，建立COF材料结构与分离性能之间的构效关系，获得其性能调控的理论依据。进一步，利用所获得的构效关系，发挥COF结构可设计性和功能可调控性强的特点，设计适用于不同气体分离体系的高性能新COF 材料。本项目对促进COF材料的基础研究及其在化工领域的实际应用，具有重要的科学与实际意义。

目前，新材料的介入已成为强化化工分离过程的重要手段。共价有机骨架材料（COFs）独特的化学、结构特点，使其有望在化工分离领域发挥重要作用。目前存在的问题是，针对特定分离体系，由于缺乏分离性能与材料内部微环境之间关系的了解，使得材料设计与制备的效率不高、缺乏针对性。围绕项目的研究内容与目标，取得的主要成果包括：（1）通过扩展和完善申请人已建立的CoRE COF 数据库，目前该库已包含409个已合成COFs的结构。此外，本项目还建立了基于材料基因组学的理论COF结构数据库（包含~470,000个COF材料），以上数据库的建立为COF材料的研究提供了一个完整的材料结构平台。（2）提出通过采用高效的构型依赖的蒙特卡洛模拟取代耗时的分子动力学模拟过程，实现了IL/MOFs复合材料的高通量构筑，建立了包含550 357个IL/MOFs的复合材料结构数据库。（3）开展了298种CoRE COF及290种改性COF膜对CO2/CH4分离性能、构效关系的高通量计算研究，发现-F, -Cl改性对提升COF膜分离CO2/CH4有显著效果。（4）通过“尺寸”和“能量”调控两种方式，对2D-COF超薄膜的CO2/CH4、H2/CH4分离性能及孔道微环境对分离性能的影响机制进行了计算研究，发现“尺寸”调控对于提升CO2/CH4和H2/CH4分离性能都有效，而“能量”调控只对强化CO2/CH4分离性能有效。（5）利用所建立的COF材料结构数据库，考察了COF的储甲烷性能，提出了通过增加2D-COFs层间距大大提升COF材料整体储甲烷性能的设计策略。考察了COF的储氢性能，以COF结构自身为切入点找到了影响COF储氢性能的关键因素，提出了COF材料次级结构单元的复杂度可以作为预测COF存储氢性能的强预测指标，当孔径和孔隙率达到合适区间值，具有简单SBU的COF材料的储氢性能会更加优异。本项目的研究发现对促进COF材料的基础研究及其在化工领域的实际应用，具有重要的科学与实际意义。.本项目共发表SCI收录论文10篇，包括Nat. Commun., J. Mater. Chem . A, Chem. Commun., ACS Sustainable Chem. Eng., J. Phys. Chem. C, Chin. J. Chem. Eng. 等国内外化工、化学重要期刊。