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暨南大學(xué)李丹/陸偉剛Angew：機(jī)器學(xué)習(xí)輔助探索MOF-5類似物的化學(xué)空間以增強(qiáng)C?H?/C?H?分離

來源：暨南大學(xué)      2025-03-15
導(dǎo)讀：為開發(fā)兼具高C2H6吸附量與優(yōu)異C2H6/C2H4分離性能的MOF材料，暨南大學(xué)陸偉剛/李丹團(tuán)隊提出一種數(shù)據(jù)驅(qū)動策略，通過機(jī)器學(xué)習(xí)輔助分子模擬篩選MOF-5類似物，并成功合成高性能材料。該研究為工業(yè)氣體分離提供了高效的材料設(shè)計新范式。
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第一作者： 王瑩 

通訊作者： 陸偉剛、李丹 

通訊單位： 暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院 

論文DOI：10.1002/anie.202500783

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為開發(fā)兼具高C2H6吸附量與優(yōu)異C2H6/C2H4分離性能的MOF材料，暨南大學(xué)陸偉剛/李丹團(tuán)隊提出一種數(shù)據(jù)驅(qū)動策略，通過機(jī)器學(xué)習(xí)輔助分子模擬篩選MOF-5類似物，并成功合成高性能材料。該研究為工業(yè)氣體分離提供了高效的材料設(shè)計新范式。
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背景介紹

C2H4是重要的化工原料，高效分離C2H6/C2H4對生產(chǎn)聚合級C2H4至關(guān)重要。由于C2H6/C2H4的物理化學(xué)性質(zhì)高度相似，分離它們具有挑戰(zhàn)性，傳統(tǒng)的高壓低溫蒸餾方法能耗巨大。目前金屬有機(jī)框架（Metal–Organic Framework，簡稱MOF）因其可調(diào)孔道和表面功能化特性，已被用于分離C2H6/C2H4。但現(xiàn)有C2H6選擇性MOF材料難以兼顧高C2H6吸附量和C2H6/C2H4選擇性。
MOF是由金屬節(jié)點（或金屬簇）和有機(jī)配體通過配位鍵組裝而成的三維周期性晶態(tài)材料。其設(shè)計基于三個關(guān)鍵要素：構(gòu)建塊、目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀化學(xué)。原則上，給定模塊和連接信息，就可以通過分子模擬探究MOF框架的廣泛功能。MOF-5作為經(jīng)典pcu型結(jié)構(gòu)，具有立方型孔隙結(jié)構(gòu)和高比表面積，在氣體吸附分離領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。MOF-5衍生物的化學(xué)空間龐大，傳統(tǒng)實驗篩選耗時費(fèi)力。而機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的分子模擬策略可避免大量試錯實驗，降低研發(fā)成本，加速高性能MOF-5類似物的開發(fā)。    

本文亮點

1、數(shù)據(jù)驅(qū)動的高效探索：構(gòu)建包含2824種MOF-5類似物的數(shù)據(jù)庫，結(jié)合XGBoost算法快速預(yù)測其C2H6吸附量和C2H6/C2H4選擇性。明確亨利系數(shù)比（S?）和乙烷亨利系數(shù)（K(C2H6)）是影響預(yù)測效果的關(guān)鍵因素，并揭示孔限制直徑（PLD）和可及比表面積（ASA）的協(xié)同作用。
2、高性能材料的實驗驗證：實驗合成高性能材料，單組分氣體吸附實驗和動態(tài)穿透實驗證實了其對C2H6的高吸附量和C2H6/C2H4混合物的高效分離能力。

圖文解析

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圖1. (a) MOF-5類似物構(gòu)建的示意圖; (b) 代表性的MOF-5類似物結(jié)構(gòu)。      
研究團(tuán)隊首先以MOF-5作為母體框架，采用等網(wǎng)狀策略構(gòu)建了一個兼具化學(xué)組成多樣性和結(jié)構(gòu)尺寸多樣性的MOF-5類似物數(shù)據(jù)庫（2824個MOF）。MOF-5類似物構(gòu)建時引入了9種不同的官能團(tuán)（CH3、CF3、NO2、NH2、OH、OCH3、F、Cl和Br），增強(qiáng)MOF結(jié)構(gòu)的化學(xué)成分多樣性。此外，通過引入不同長度的配體， MOF-5類似物的孔限制直徑（PLD）范圍為4.44 ? ~ 12.4 ?，可及表面積（ASA）范圍為650 ~ 5600 m2/g，具有豐富的孔道尺寸大小。
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圖2. (a) XGBoost算法對C2H6/C2H4（1/9）選擇性的預(yù)測結(jié)果與巨正則系綜蒙特卡洛（GCMC）模擬結(jié)果的比較。(b) XGBoost算法對C2H6/C2H4（1/9）混合物中C2H6吸附量的預(yù)測結(jié)果與巨正則系綜蒙特卡洛（GCMC）模擬結(jié)果的比較。(c) SHAP分析。(d) XGBoost模型預(yù)測的MOF-5類似物數(shù)據(jù)庫在298 K和1.0 bar下的C2H6吸附量和C2H6/C2H4（1/9）選擇性的關(guān)系圖。從淺紫色到紅色的色階表示亨利系數(shù)比（S0）的增加。
隨后采用四種不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行訓(xùn)練和測試，其中XGBoost算法對預(yù)測C2H6吸附量和C2H6/C2H4選擇性表現(xiàn)出最高的準(zhǔn)確度。基于XGBoost模型進(jìn)行SHAP分析探討了描述符的相對重要性。亨利系數(shù)比（S?）是影響C2H6/C2H4選擇性的關(guān)鍵因素，乙烷亨利系數(shù)（K(C2H6)）是影響C2H6吸附量的關(guān)鍵因素。使用訓(xùn)練好的XGBoost模型對整個MOF-5類似物數(shù)據(jù)庫的性能進(jìn)行預(yù)測，篩選出兼具高吸附量和選擇性的MOF結(jié)構(gòu)。    
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圖3. (a) A-66和MOF-5在298 K下的單組分C2H6和C2H4吸附等溫線。(b) A-66和MOF-5在273 K下的單組分C2H6和C2H4吸附等溫線。(c) A-66和MOF-5對C2H6和C2H4的吸附熱。(d) 298 K和1.0 bar時C2H6吸附量和C2H6/C2H4吸附比的比較。(e) A-66在77 K下的N2吸附等溫線。(f) MOF-5在77 K下的N2吸附等溫線。
基于機(jī)器學(xué)習(xí)輔助分子模擬策略，確定了性能優(yōu)異的MOF（A-66），通過對A-66進(jìn)行實驗合成和吸附性能的測試驗證了該策略的可行性。A-66在整段壓力測試范圍（0~1 bar）內(nèi)對C2H6的吸附量均高于C2H4，表現(xiàn)出高的C2H6吸附量和C2H6/C2H4吸附比。此外，N2吸附實驗和PXRD測試證實了A-66相比MOF-5更優(yōu)異的空氣和水穩(wěn)定性。
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圖4. (a) A-66對C2H6/C2H4 (1/1)混合物的穿透實驗。(b) A-66對C2H6/C2H4 (1/9)混合物的穿透循環(huán)實驗。
動態(tài)穿透實驗進(jìn)一步驗證了A-66對C2H6/C2H4的實際分離性能，且具有良好的可循環(huán)利用性和一定的工業(yè)應(yīng)用潛力。
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圖5. A-66在298 K和1.0 bar下吸附(a) C2H6和(b) C2H4的密度分布圖。獨(dú)立梯度模型 (IGMH)分析可視化 (c) C2H6和(d) C2H4與A-66的相互作用。
通過吸附密度圖分析確定了A-66對C2H6/C2H4分子的最佳吸附位點。IGMH分析可視化了C2H6/C2H4分子與A-66的相互作用，發(fā)現(xiàn)A-66對C2H6具有更強(qiáng)的范德華作用和氫鍵作用。

正文總結(jié)與展望

綜上，該工作提出一種機(jī)器學(xué)習(xí)輔助分子模擬策略，用于評估MOF-5類似物的C2H6/C2H4吸附分離性能。該策略可用于指導(dǎo)MOF吸附劑的開發(fā)，不僅適用于C2H6/C2H4分離，還可適用于其它具有挑戰(zhàn)性的輕烴分離。


作者簡介

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陸偉剛教授
暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院
陸偉剛，教授/博士生導(dǎo)師，2012年至2015年美國德州農(nóng)工大學(xué)助理研究科學(xué)家，2016年至2018年美國費(fèi)耶維爾州立大學(xué)研究科學(xué)家，2018年至今在暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院工作，主要從事晶態(tài)多孔材料主客體化學(xué)和超分子自組裝等方面的研究工作，主持國家及省部級科研項目7項，在Nature、Nat. Chem. Eng.、Chem、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等國際權(quán)威期刊上發(fā)表論文100余篇，ESI高被引論文12篇，論文總他引超過1萬次，H-index為43，擔(dān)任Nat. Chem.、Nat. Chem. Eng.、Nat. Rev. Mater.等期刊的審稿人。獲授權(quán)國際專利1件、中國專利7件。
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李丹教授
暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院
李丹，教授/博士生導(dǎo)師。從事超分子配位化學(xué)的研究工作，為合成技術(shù)、材料創(chuàng)新和晶體工程積累了實踐經(jīng)驗及理論基礎(chǔ)。國家杰出青年基金獲得者（2008年），英國皇家化學(xué)會會士（FRSC，2014年），中國化學(xué)會首批高級會員（2020年）。主持國家自然科學(xué)基金重大研究計劃、原創(chuàng)探索計劃、重點項目和國家973計劃（課題組長）等。在國際權(quán)威學(xué)術(shù)刊物如Nature、Nat. Chem. Eng.、Chem、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等發(fā)表學(xué)術(shù)論文360多篇。獲國務(wù)院“政府特殊津貼專家” ，入選首屆國家 “萬人計劃” 領(lǐng)軍人才；曾獲得廣東省科學(xué)技術(shù)一等獎（第一完成人）、第十五屆廣東省丁穎科技獎。


暨南大學(xué)超分子配位化學(xué)研究所成員合照

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由李丹教授領(lǐng)導(dǎo)的廣東省超分子配位化學(xué)重點實驗室，旨在開展具有重大科學(xué)意義和應(yīng)用前景的配位超分子功能材料的分子設(shè)計、合成技術(shù)、晶體工程和材料創(chuàng)制等研究，特別注重超分子配位組裝體、多孔固體材料等功能超分子體系的限域空間主客體化學(xué)及其在能源、環(huán)境和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的探索。廣東省功能配位超分子材料及應(yīng)用重點實驗室常年招收研究人員和博士后。    

文獻(xiàn)詳情：

Machine Learning-Assisted Exploration of Chemical Space of MOF-5 Analogues for Enhanced C2H6/C2H4 SeparationYing Wang,  Zhi-Jie Jiang,  Weigang Lu,  Dan Li
 Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202500783.
https://doi.org/10.1002/anie.202500783

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