面向難分離體系的新型多孔材料的設計方法與製備
技術原理、技術要點
本項目針對難分離體系的特點，以金屬-有機骨架材料（MOFs）和共價有機骨架材料（COFs）兩類新型納米多孔材料為對象，通過系統的概念創新和構效關係研究，及材料基因組學方法建立，形成了面向難分離化工體系的新型多孔材料的設計方法，拓展了化工熱力學的應用範圍，促進了由「經驗指導實驗」的化工材料研發模式，向「理論預測，實驗驗證」的新研發模式的轉變。
主要研究內容與科學發現如下
（1）通過概念創新，更好地揭示了MOF/COF材料分離性能的構效關係。本項目提出並建立了「吸附度」新概念，在此基礎上實現了MOF/COF材料的結構與分離性能的定量關聯，並提出了「吸附度差越大，分離性能越好的」的納米多孔材料設計策略，在此指導下成功地設計併合成了多種新MOFs。目前該新概念已被廣泛用於建立構效關係，對面向難分離體系的新MOF/COF材料的設計，具有重要的指導意義。
（2）建立了MOF/COF的材料基因組學方法，極大地提高了難分離體系的新材料設計效率，促進了化工新材料研發模式的轉變。本項目提出了仿生劃分材料基因組的學術思想，建立了原子尺度的「基於鍵連接性」的材料原子電荷基因組方法（CBAC），分子尺度的「仿化學反應」的材料結構基因組方法和材料性能高通量計算方法。所開發的CBAC方法發表後，已被11國的40餘研究組使用與擴展，成為目前使用最廣的方法之一，及後續新方法的比較對象。建立了包含136種原子片段的材料骨架電荷基因庫、包含319種材料結構基因片段的材料基因庫和包含80餘萬材料的新材料[2]數據庫。相關研究形成了從材料基因劃分方法建立、基因庫構建，到材料組裝與篩選算法建立的完整材料基因組學方法，促進了基於材料基因組學的「理論預測，實驗驗證」的材料研發新模式的發展。
（3）發揮化工學科優勢，開展了面向實際應用的新材料定向設計與製備研究。
與中國工程物理研究院二所合作，針對氫同位素分離，進行了MOF材料基因組學篩選與製備研究，獲得了20 K下目前選擇性最好的MOF材料；與中石化撫順石油化工研究院合作，針對套管氣回收、油田伴生氣回收等工業過程，進行了MOF材料的基因組學篩選與規模化製備研究，促進了MOF材料的實際應用；提出了提高傳質性能的 「動力學模板劑」多級孔MOF 製備方法和用於變溫分離的溫敏MOF製備方法等。 本項目通過概念創新、方法創新與模式創新的集成創新研究，擴展了熱力學學科的研究內涵，促進了我國化工新材料研發模式的轉變。