【摘 要】
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气体分离和净化是生产大宗化工产品的关键工业过程,但传统上大多数工业化学分离依赖于耗能的热驱动技术,且对相关的工艺设备要求较高。近年来,金属有机骨架材料（MOFs）因其高比表面积、可调孔径和功能可调性等特点,在气体分离领域展现出良好的应用前景。本文采用高通量分子模拟方法,系统的研究了计算就绪的MOFs（Co RE MOFs）用于氢同位素（D2/H2）分离、烟气中脱硫（SO2）以及天然气中提取氦气（H
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气体分离和净化是生产大宗化工产品的关键工业过程,但传统上大多数工业化学分离依赖于耗能的热驱动技术,且对相关的工艺设备要求较高。近年来,金属有机骨架材料（MOFs）因其高比表面积、可调孔径和功能可调性等特点,在气体分离领域展现出良好的应用前景。本文采用高通量分子模拟方法,系统的研究了计算就绪的MOFs（Co RE MOFs）用于氢同位素（D2/H2）分离、烟气中脱硫（SO2）以及天然气中提取氦气（He）,并揭示MOFs的结构-性能关系和理论上提供性能最佳的MOFs,主要内容如下:（1）对12020个Co RE MOFs进行了高通量计算筛选,以确定用于D2/H2分离应用的最佳MOFs。同时,借助机器学习（ML）系统地研究了MOFs的结构-性能关系。ML预测结果表明,加入吸附度特征描述符后,四种ML方法的预测精度都有显著提高。此外,基于XGBoost模型的ML结果还显示,吸附度描述符具有最高的相对重要性。在等摩尔比条件下,进一步对1548个理想吸附选择性大于1.5的MOFs进行D2/H2二元混合物模拟。结构-性能关系表明,高吸附选择性MOFs通常具有较小的孔径（3～5?）和较低的比表面积,且在前200名MOFs中,材料主要拓扑类型是sql、pcu、cds、hxl和ins。最后,三种具有一维微孔结构的MOFs被确定为最佳候选材料,这项工作中获得的结果为实验合成具有高D2/H2分离性能的MOFs提供了指导。（2）从Co RE MOFs中选择出1492个含有高氧化态金属中心的MOFs,并进行SO2、CO2、N2三组分巨正则蒙特卡洛模拟,评估Co RE MOFs对空气中SO2的吸附分离能力。通过对筛选出的4个高性能MOFs进一步分析发现,在低压下（0.1 bar）,IXEJOM的吸附量达到12.6 mmol·g-1,超过目前实验报道的SO2吸附量最高的材料。利用质心分布图和径向分布函数图,明确SO2分子中的O优先与OQUFAJ04和IXEJOM骨架中金属Zr相互作用;SO2分子中O与TOXNIF和TAKTIL骨架中-OH中H距离最近。（3）对6006个Co RE MOFs进行He/CH4膜分离模拟,首先,探究了在理想条件下He/CH4在MOFs膜上的分离性能,发现He/CH4膜分离主要受扩散过程影响,且CH4的扩散更易受孔径的影响。使用XGBoost模型预测理想膜选择性的R~2达0.79。同时,具有高理想膜选择性和高理想扩散选择性的MOFs,其孔径在3.64～4?之间。进一步对810个大于全氟聚合物2019上限的MOFs进行He/CH4二元混合体系模拟,以探究在真实条件下的膜分离性能。通过分析膜选择性和材料结构之间的关系,明确两个最佳性能的MOFs膜材料（YIWLUL和MANLAP）,为He/CH4体系的分离提供了新型的膜材料。
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