用于缺陷型金属有机框架材料的结构筛选方法和系统技术方案

本发明专利技术实施例公开了一种用于缺陷型金属有机框架材料的结构筛选方法和系统，所述方法包括：获取海量待筛选金属有机框架材料的结构信息，并根据结构信息拆分出待筛选金属有机框架材料的金属中心，对待筛选金属有机框架材料的金属中心进行几何结构优化，保留待筛选金属有机框架材料中的稳定结构；分别统计与各金属中心相连的最大配体数n，依据预设处理原则拆去金属中心中与配体相连部分的基团，对各缺陷结构的金属中心进行几何结构优化；在金属中心中的缺陷位置的附近添加H2分子，以构造对应的H2吸附裂解模型；活化能垒达到预设值的待筛选金属有机框架材料作为目标缺陷结构。解决了现有技术中金属有机框架材料结构筛选困难的技术问题。术问题。术问题。

【技术实现步骤摘要】
用于缺陷型金属有机框架材料的结构筛选方法和系统


[0001]本专利技术涉及计算化学与纳米复合催化材料
，具体涉及一种用于缺陷型金属有机框架材料的结构筛选方法和系统。

技术介绍

[0002]在众多绿色能源中，氢能由于其具有热值高、还原性强、原料广泛、燃烧污染少等特点受到广泛关注，除用于发电外，还能够在炼钢、化工、水泥等工业部门中起到重要作用，氢气作为一种重要的工业原料已经得到了十分广泛的应用。双环戊二烯(DCPD)是乙烯裂解的副产品，它主要用来开发DCPD石油树脂、新型高分子材料以及精细化工产品等。在实际生产过程中必须要对DCPD进行加氢以改善材料性能。当前DCPD加氢工艺主要存在加氢时间长、催化剂需过滤回收、生产效率低等缺点，未来仍需要改进工艺，选择更为合适的裂氢催化材料。
[0003]与此同时，金属有机框架材料(MOFs)因其多样的化学结构和高度可调的物理化学性质而受到广泛的关注，MOFs材料可以使用元素周期表中的多种金属元素合成，包括铁、钴、镍、钨、钼等过渡元素以及钪、钇、镧系等稀土元素，其中稀土元素由于具有高配位数和独特的电子结构，可以显示出一些奇异的结构和反应特性。因此，在理论上可以依靠MOFs材料的高度可设计性来研究出能够有效裂氢的催化MOFs材料。然而也正是它的高度可设计性，使得要找出目标MOFs所需的实验数量极其庞大，传统的通过不断实验获得结果的设计思路几乎失效。

技术实现思路

[0004]为此，本专利技术实施例提供一种用于缺陷型金属有机框架材料的结构筛选方法和系统，以至少部分解决现有技术中金属有机框架材料结构筛选困难的技术问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术实施例提供如下技术方案：
[0006]本专利技术提供一种用于缺陷型金属有机框架材料的结构筛选方法，所述方法包括：
[0007]获取海量待筛选金属有机框架材料的结构信息，并根据所述结构信息拆分出待筛选金属有机框架材料的金属中心，对待筛选金属有机框架材料的金属中心进行几何结构优化，保留待筛选金属有机框架材料中的稳定结构，以在海量待筛选金属有机框架材料中筛选出具有稳定结构的待筛选金属有机框架材料，并将计算得到的待筛选金属有机框架材料的稳定结构作为待筛选结构数据集；
[0008]分别统计与各所述金属中心相连的最大配体数n，依据预设处理原则拆去所述金属中心中与配体相连部分的基团，并分别构造拆去了1个、2个、3个
……
直至n/2个配体的缺陷结构，对各缺陷结构的金属中心进行几何结构优化；
[0009]在构造缺陷结构后的金属中心中的缺陷位置的附近添加H2分子，以构造多种缺陷金属中心对应的H2吸附裂解模型；
[0010]在构建的H2吸附裂解模型中，遍历H2催化裂解性能达到预设阈值的缺陷结构以及
在催化H2吸附裂解过程中存在的过渡态，并计算缺陷结构吸附H2裂解过程中不同步骤的吉布斯自由能，对比具有不同缺陷分布与结构的待筛选金属有机框架材料在催化H2吸附裂解过程中的活化能垒，以所述活化能垒达到预设值的待筛选金属有机框架材料作为目标缺陷结构。
[0011]在一些实施例中，在对待筛选金属有机框架材料的金属中心进行几何结构优化，以及对各缺陷结构的金属中心进行几何结构优化时，优化条件具体包括：
[0012]采用DFT方法和B3LYP杂化泛函进行结构优化计算，且结构优化过程中的所有计算均在同一精度下进行；
[0013]价电子选取泛函设定的默认值，最大迭代次数选取300～600次，最大步长依据待筛选金属有机框架材料的结构与金属元素的不同在到之间选取；
[0014]对核内电子采取DFT半核假设点，计算自洽收敛阈值在1.0e
‑
7/atom到1.0e
‑
5/atom范围内，最大循环次数设定为2000次到2500次，设定全局域轨道截断值为
[0015]结构优化中能量的收敛阈值为5.0e
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6Ha～1.0e
‑
5Ha，力的收敛阈值为0.001最大位移的收敛阈值为
[0016]在一些实施例中，构造多种缺陷金属中心对应的H2吸附裂解模型时，选择具有最多缺陷位置的金属原子以及与之相邻的O、N、P、S等非金属元素作为吸附活化位点，预设金属元素M与H原子之间距离为H
‑
H键方向应选择最有利于进行裂氢反应的方向，H
‑
H键长为
[0017]在一些实施例中，催化H2吸附裂解过程的反应路径以及H2吸附裂解的活化能垒的分析的条件具体包括：
[0018]价电子选取泛函设定的默认值，最大迭代次数选取400～500次，最大步长依据待筛选金属有机框架材料的结构与金属元素的不同在到之间选取；
[0019]对核内电子采取DFT半核假设点方式处理，计算自洽收敛阈值在1.0e
‑
7/atom到1.0e
‑
6/atom范围内，最大循环次数设定为2000次到2500次，设定全局域轨道截断值为到
[0020]结构优化中能量的收敛阈值为5.0e
‑
6Ha～5.0e
‑
5Ha，力的收敛阈值为0.001最大位移的收敛阈值为
[0021]在一些实施例中，待筛选金属有机框架材料具体包括：
[0022]由若干种可溶性金属盐与有机配体合成的金属有机框架材料。
[0023]在一些实施例中，所述可溶性金属盐具体包括铌、镍、铁、锡、钛、钒、银、锰、钴、钨、铜、锌、钼、钯、铬、锆、铝等过渡元素，以及稀土元素钇、钪、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥的硝酸盐，氯化物，磷酸盐，硫酸盐，醋酸盐等中的一种或几种。
[0024]在一些实施例中，所述有机配体具体包括1,4
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苯二甲酸，1,2
‑
苯二甲酸，1,3,5
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苯三甲酸，1,2,4,5
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苯四甲酸，苯六甲酸，2
‑
羟基对苯二甲酸、2
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磺酸基对苯二甲酸，2
‑
硝基对苯二甲酸，2
‑
氨基对苯二甲酸，1,1':4',1
”‑
苯基
‑
4,4
”‑
二甲酸，1,1'
‑
二苯基
‑
4,4'
‑
二甲酸，哌嗪，吡嗪，二甲基咪唑，三乙烯二胺，4,4'
‑
联吡啶，1,3
‑
二(4
‑
吡啶)丙烷等有机物分子
中的一种或几种。
[0025]本专利技术还提供一种用于缺陷型金属有机框架材料的结构筛选系统，所述系统包括：
[0026]待筛选结构生成单元，用于获取海量待筛选金属有机框架材料的结构信息，并根据所述结构信息拆分出待筛选金属有机框架材料的金属中心，对待筛选金属有机框架材料的金属中心进行几何结构优化，保留待筛选金属有机框架材料中的稳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于缺陷型金属有机框架材料的结构筛选方法，其特征在于，所述方法包括：获取海量待筛选金属有机框架材料的结构信息，并根据所述结构信息拆分出待筛选金属有机框架材料的金属中心，对待筛选金属有机框架材料的金属中心进行几何结构优化，保留待筛选金属有机框架材料中的稳定结构，以在海量待筛选金属有机框架材料中筛选出具有稳定结构的待筛选金属有机框架材料，并将计算得到的待筛选金属有机框架材料的稳定结构作为待筛选结构数据集；分别统计与各所述金属中心相连的最大配体数n，依据预设处理原则拆去所述金属中心中与配体相连部分的基团，并分别构造拆去了1个、2个、3个
……
直至n/2个配体的缺陷结构，对各缺陷结构的金属中心进行几何结构优化；在构造缺陷结构后的金属中心中的缺陷位置的附近添加H2分子，以构造多种缺陷金属中心对应的H2吸附裂解模型；在构建的H2吸附裂解模型中，遍历H2催化裂解性能达到预设阈值的缺陷结构以及在催化H2吸附裂解过程中存在的过渡态，并计算缺陷结构吸附H2裂解过程中不同步骤的吉布斯自由能，对比具有不同缺陷分布与结构的待筛选金属有机框架材料在催化H2吸附裂解过程中的活化能垒，以所述活化能垒达到预设值的待筛选金属有机框架材料作为目标缺陷结构。2.根据权利要求1所述的用于缺陷型金属有机框架材料的结构筛选方法，其特征在于，在对待筛选金属有机框架材料的金属中心进行几何结构优化，以及对各缺陷结构的金属中心进行几何结构优化时，优化条件具体包括：采用DFT方法和B3LYP杂化泛函进行结构优化计算，且结构优化过程中的所有计算均在同一精度下进行；价电子选取泛函设定的默认值，最大迭代次数选取300～600次，最大步长依据待筛选金属有机框架材料的结构与金属元素的不同在到之间选取；对核内电子采取DFT半核假设点，计算自洽收敛阈值在1.0e
‑
7/atom到1.0e
‑
5/atom范围内，最大循环次数设定为2000次到2500次，设定全局域轨道截断值为到结构优化中能量的收敛阈值为5.0e
‑
6Ha～1.0e
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5Ha，力的收敛阈值为5Ha，力的收敛阈值为最大位移的收敛阈值为3.根据权利要求1所述的用于缺陷型金属有机框架材料的结构筛选方法，其特征在于，构造多种缺陷金属中心对应的H2吸附裂解模型时，选择具有最多缺陷位置的金属原子以及与之相邻的O、N、P、S等非金属元素作为吸附活化位点，预设金属元素M与H原子之间距离为H
‑
H键方向应选择最有利于进行裂氢反应的方向，H
‑
H键长为4.根据权利要求1所述的用于缺陷型金属有机框架材料的结构筛选方法，其特征在于，催化H2吸附裂解过程的反应路径以及H2吸附裂解的活化能垒的分析的条件具体包括：价电子选取泛函设定的默认值，最大迭代次数选取400～500次，最大步长依据待筛选金属有机框架材料的结构与金属元素的不同在到之间选取；对核内电子采取DFT半核假设点方式处理，计算自洽收敛阈值在1.0e
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7/atom到1.0e
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6/atom范围内，最大循环次数设定为2000次到2500次，设定全局域轨道截断值为到
结构优化中能量的收敛阈值为5.0e
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6Ha～5.0e
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5Ha，力的收敛阈值为5Ha，力的收敛阈值为最大位...

【专利技术属性】
技术研发人员：王戈，秦耕，高鸿毅，薛祥东，林进杰，丁文婷，高琰，刘志盟，
申请(专利权)人：北京科技大学顺德创新学院，
类型：发明
国别省市：