随着社会和经济的蓬勃发展,能源危机和温室效应逐渐成为人类面临的两大难题。为了减轻对传统化石燃料的依赖和对环境的压力,目前已经付出巨大的努力来开发替代性清洁能源和降低温室效应。氢同位素分离和CO2的捕获分别作为实现可控核聚变的关键步骤和降低CO2排放的有效途径,尽管此前已经在这方面取得了很大的进步,但是化工分离过程普遍存在的能耗高和效率低等问题亟需解决。作为多孔材料家族中的一类新型成员,金属-有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks,简称MOFs)因其独特的物化特征,在气体的吸附分离方面展现出广阔的应用前景,尤其是含有开放金属位点(或称为配位不饱和金属位点)的材料受到了广泛关注。然而,由于已报道的MOF材料数量庞大且理论上有无限多种,仅仅依靠实验手段对其难以实现系统性的研究。因此,本论文基于剑桥晶体结构库(CSD),从其中收集出了具有桨轮状(paddle-wheel)次级无机结构基元的MOF材料数据库,并采用量子化学计算与分子模拟相结合的方式,对含Cu开放金属位点(Cu-OMS)材料的氢同位素分离和CO2捕获性能进行了系统性的理论研究。开展的主要研究工作如下:(1)采用二阶M(?)ller-Plesset微扰理论(MP2)计算并结合定域化分子轨道能量分解方法,对氢同位素分子与Cu-OMS之间相互作用的本质进行了研究,同时基于量化分析结果,开发出可用于精确描述氢同位素分子与Cu-OMS相互作用行为的分子力场,进而为后续的高通量材料筛选提供了计算基础。(2)基于高通量分子模拟方法,对所构建数据库中930个Cu-MOF材料的D2/H2量子筛分性能进行了大规模的计算评估,通过材料构效关系分析获得了高效分离材料的最佳结构特征,并进一步分析了量子效应和静电作用对材料分离行为的影响规律。研究结果表明,低温条件下量子效应对选择性的影响明显大于静电相互作用,尤其是来自客体分子与材料之间相互作用的量子效应,并在此基础上筛选出具有潜在同位素分离应用前景的MOF材料。研究结果可为新型高性能同位素分离材料的设计与合成提供理论依据。(3)通过对数据库中MOF材料的CO2捕获性能进行计算评估,系统地考察了材料分离行为的构效关系,挖掘出理想分离材料应具有的结构特征,同时筛选出一些可用于CO2捕获的潜在高性能材料,为实现面向特定应用的高性能材料的设计和合成提供了理论参考。