識別最佳MOF的快速而簡單的方法

材料牛注：如何快速收集碳？如何將碳與其它氣體快速分離?來自西北大學的Snurr教授和他的團隊將帶領我們打開MOF的大門。最近幾年，一類叫做金屬有機骨架（metal-organic frameworks, MOFs）的高吸收性納米多孔材料在發電廠中已成為一種很有前途的碳收集材料。但如何找到最合適的MOF仍是一個巨大的挑戰。

西北大學化學和生物工程教授Randall Snurr表示：“人們對這些材料真的很興奮，因為我們可以多樣化這些材料并實現對它們的調制。”“但是還有另一面，如果你有個實際應用的想法，這里有成千上萬的現有MOFs和數以百萬的你可以創造的潛在MOFs。你如何給這個應用找到最好的MOF呢？

Snurr教授和他的團隊現在已經發現了一個快速的方法來為碳收集辨別頂尖的候選MOF，而且只需以前需要的計算量的1％。通過應用遺傳算法，他們已經能夠在包含55,000 MOFs的數據庫中快速搜尋到想找的那個。

Snurr表示：“過去,我們必須一個一個評估55000名候選人，我們只是搜索并計算他們所有的屬性。而遺傳算法可以避免這樣。”

NOTT-101的變體是已被辨別出的頂尖候選物之一，它比任何曾在與此相關的科學文獻中報道過的MOF都具有更高的二氧化碳儲存能力。這項發現可能帶來新的更清潔的發電廠的設計。

Snurr說：“MOF可吸收的二氧化碳比例取決于這一過程。美國能源部的目標是消除90%的來自電廠的二氧化碳；使用這些材料很可能達到這一目標。”

在美國能源部的支持下，這項研究成果以論文形式發布在Science Advances雜志上。Snurr實驗室的博士后研究人員Yongchul Chung和Diego Gomez-Gualdron是此篇論文的共同第一作者。西北大學的化學教授J. Fraser Stoddart (最近獲得諾貝爾化學獎)、Joseph Hupp和Omar Farha，前西北大學的化學和生物工程教授Fengqi You也為這項成果做出了貢獻。

擁有納米孔和難以置信的高表面積的MOFs是氣體儲藏的極好材料，可以承載大量的氣體。例如，單個MOF晶體可能只有一粒鹽的大小，但他們的內部表面積如果展開可以覆蓋整個足球場。

Snurr早先的研究已經勘探過在后燃過程中如何使用MOFs從現存發電廠中收集碳。CO₂占發電廠排放量的；其余主要是氮和水蒸氣。Snurr和Hupp設計了一種MOF，它可以將這些氣體分類，以在其進入大氣之前捕獲CO2。

在經過一點化學處理后，這種收集變得容易多了。在燃料進入發電廠之前對燃料進行化學處理，可將其轉變成二氧化碳和氫氣。在MOF收集二氧化碳后，氫氣被燃燒，水是唯一的副產物。這個額外的化學處理步驟需將需要作為預燃燒過程建造到新的發電廠中。

Snurr說：“像中國一樣還在建大量電廠的地方，這是非常有意義的。”

模擬自然選擇的優化技術，遺傳算法采用隨機地候選解決方案，通過突變、交叉和選擇，找到更好的解決方式。Snurr說這項技術以前就已經被應用于材料篩選，但沒有應用到在預燃過程中搜尋頂尖候選物中，他認為這是一個新挑戰。

收集，遺傳算法將NOTT-101鑒定為最佳候選物。（這個特別材料以首次被發現的地方 Nottingham命名。）Hupp和Farha創造了NOTT-101變體并且在實驗室進行了測試。在已經評估用于預燃燒的所有MOF中，這種材料有最高收集碳的能力，以及將二氧化碳從氫氣中分離的良好選擇性。

“一開始，我不確定這個算法會怎么樣。”Snurr說，“但它僅需要1%的通常計算工作量，在速度有顯著提高。這是非常令人興奮的。”

原文鏈接：Quick and easy way to identify best MOF for the job

文獻鏈接：In silico discovery of metal-organic frameworks for precombustion CO₂capture using a genetic algorithm

本文由編輯部楊浩供稿，趙輝編譯，時冰遙審核，點我加入材料人編輯部。

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