[发明专利]一种基于高通量计算筛选金属有机骨架催化材料的方法

说明书

一种基于高通量计算筛选高性能金属有机骨架催化材料的方法，首先针对待研究MOFs系列与特定的催化反应体系，采用高通量并行计算的方式分别计算催化反应体系的吸附能，吉布斯函数变，活化能一系列性能参数，从中选取性能最优的MOFs材料；其次根据高通量计算结果，对最优MOFs材料进行合成与表征验证性能，进一步反馈给相应的数据库，并对高通量计算模式进行逐步的优化与完善。本发明采用高通量并行计算的方式，有效地缩短了计算时间。采用理论计算指导材料合成与制备，使得材料的合成与制备具备导向性，降低了研发成本，缩短了研发周期。通过实验数据实时反馈给理论计算这种交互式模式，使得理论计算的性能与精度得以不断提升与优化，具备良好的实用价值。

技术领域

本发明属于计算化学与纳米复合催化材料领域，具体涉及一种基于高通量计 算筛选高性能金属有机骨架催化材料的方法。

背景技术

随着科技的不断进步与发展，人类的能源消耗量与日俱增，能源危机已经越 来越受到人们的重视。我国则由于人口众多，人均能源储备较少而形势较为严峻， 因此开发新型催化材料提升能源转换效率与能源利用率则显得尤为重要，金属有 机骨架材料由于其独有的结构优势：例如高比表面积，规整的孔道结构，较多的 活性位点等，目前在催化领域里已经得到了广泛的应用，然而目前开发金属有机 骨架催化材料依然停留在“试错”的研究模式，这不可避免了带来了能源与资源上 的浪费，而基于量子化学原理的高通量理论计算可以实现“计算先行，理论计算 预测材料性能”，从而为材料的研究开发提供了一定的导向性，避免了盲目的试 错从而极大的缩短研究周期，同时有效地解决了上述问题。

金属有机材料(MOFs)是近年来发展极为迅猛的一种多孔配位聚合物材料， 一般具有三维的孔道结构，以中心金属离子为节点，以有机配体支撑形成的网状 延伸结构。目前MOFs已经在催化领域里实现了广泛的应用。该类材料的比表面 积远远大于有着相似孔道结构的分子筛材料，即使对材料进行多次填充也不会影 响其孔道结构，且结构稳定性良好。而MOFs中的中心金属离子，则因为其结构 优势因而天然具备“单分散”的优点，非常适合作为催化材料的活性位点，同时， MOFs结构对中心离子并不敏感，同一类型的MOFs可以分别采用不同的中心金 属离子，这大大扩展了MOFs的应用范围，通过调节中心金属离子的类型可以满 足多种催化反应的要求。

材料领域的理论计算大多基于密度泛函理论进行，它在量子力学的基础上实 现了一次大的提升，伴随着现代高性能计算机技术的普及，使得高精度高通量的 理论计算变得可行，理论计算也从最初的定性判断到了现在的定量解析的程度。 目前高通量计算已经在催化领域里广泛采用，尤其是在催化机理分析，材料结构 解析中发挥着越来越重要的作用，但是当前的理论计算大多数在材料合成后进行， 主要运用在反应机理阐述中，未能充分发挥理论计算的指导性功能，因此开发一 种高通量计算筛选MOFs催化材料的方法可以有效地提升MOFs的实用价值， 缩短研发周期，有效地避免当前“试错”研究模式中的能源与资源浪费，具备广阔 的实用前景。

发明内容

本发明的目的在于通过高通量理论计算筛选高性能MOFs催化材料，从而按 催化反应的需求有选择地指导MOFs的合成，使得MOFs材料的研发具备了导 向性，避免了传统“试错”的研究方法中的一系列问题。

本发明的技术方案是：首先针对待研究MOFs系列与特定的催化反应体系， 采用高通量并行计算的方式分别计算催化反应体系的吸附能，吉布斯函数变，活 化能等一系列性能参数，从中选取性能最优的MOFs材料。其次根据高通量计算 结果，对最优MOFs材料进行合成与表征验证性能，进一步反馈给相应的数据库， 对高通量计算模式进行逐步的优化与完善。

具体操作步骤为：

(1)MOFs材料的高通量计算筛选：