识别最佳MOF的快速而简单的方法

材料牛注：如何快速收集碳？如何将碳与其它气体快速分离?来自西北大学的Snurr教授和他的团队将带领我们打开MOF的大门。最近几年，一类叫做金属有机骨架（metal-organic frameworks, MOFs）的高吸收性纳米多孔材料在发电厂中已成为一种很有前途的碳收集材料。但如何找到最合适的MOF仍是一个巨大的挑战。

西北大学化学和生物工程教授Randall Snurr表示：“人们对这些材料真的很兴奋，因为我们可以多样化这些材料并实现对它们的调制。”“但是还有另一面，如果你有个实际应用的想法，这里有成千上万的现有MOFs和数以百万的你可以创造的潜在MOFs。你如何给这个应用找到最好的MOF呢？

Snurr教授和他的团队现在已经发现了一个快速的方法来为碳收集辨别顶尖的候选MOF，而且只需以前需要的计算量的1％。通过应用遗传算法，他们已经能够在包含55,000 MOFs的数据库中快速搜寻到想找的那个。

Snurr表示：“过去,我们必须一个一个评估55000名候选人，我们只是搜索并计算他们所有的属性。而遗传算法可以避免这样。”

NOTT-101的变体是已被辨别出的顶尖候选物之一，它比任何曾在与此相关的科学文献中报道过的MOF都具有更高的二氧化碳储存能力。这项发现可能带来新的更清洁的发电厂的设计。

Snurr说：“MOF可吸收的二氧化碳比例取决于这一过程。美国能源部的目标是消除90%的来自电厂的二氧化碳；使用这些材料很可能达到这一目标。”

在美国能源部的支持下，这项研究成果以论文形式发布在Science Advances杂志上。Snurr实验室的博士后研究人员Yongchul Chung和Diego Gomez-Gualdron是此篇论文的共同第一作者。西北大学的化学教授J. Fraser Stoddart (最近获得诺贝尔化学奖)、Joseph Hupp和Omar Farha，前西北大学的化学和生物工程教授Fengqi You也为这项成果做出了贡献。

拥有纳米孔和难以置信的高表面积的MOFs是气体储藏的极好材料，可以承载大量的气体。例如，单个MOF晶体可能只有一粒盐的大小，但他们的内部表面积如果展开可以覆盖整个足球场。

Snurr早先的研究已经勘探过在后燃过程中如何使用MOFs从现存发电厂中收集碳。CO₂占发电厂排放量的；其余主要是氮和水蒸气。Snurr和Hupp设计了一种MOF，它可以将这些气体分类，以在其进入大气之前捕获CO2。

在经过一点化学处理后，这种收集变得容易多了。在燃料进入发电厂之前对燃料进行化学处理，可将其转变成二氧化碳和氢气。在MOF收集二氧化碳后，氢气被燃烧，水是唯一的副产物。这个额外的化学处理步骤需将需要作为预燃烧过程建造到新的发电厂中。

Snurr说：“像中国一样还在建大量电厂的地方，这是非常有意义的。”

模拟自然选择的优化技术，遗传算法采用随机地候选解决方案，通过突变、交叉和选择，找到更好的解决方式。Snurr说这项技术以前就已经被应用于材料筛选，但没有应用到在预燃过程中搜寻顶尖候选物中，他认为这是一个新挑战。

收集，遗传算法将NOTT-101鉴定为最佳候选物。（这个特别材料以首次被发现的地方 Nottingham命名。）Hupp和Farha创造了NOTT-101变体并且在实验室进行了测试。在已经评估用于预燃烧的所有MOF中，这种材料有最高收集碳的能力，以及将二氧化碳从氢气中分离的良好选择性。

“一开始，我不确定这个算法会怎么样。”Snurr说，“但它仅需要1%的通常计算工作量，在速度有显著提高。这是非常令人兴奋的。”

原文链接：Quick and easy way to identify best MOF for the job

文献链接：In silico discovery of metal-organic frameworks for precombustion CO₂capture using a genetic algorithm

本文由编辑部杨浩供稿，赵辉编译，时冰遥审核，点我加入材料人编辑部。

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