一种高通量快速构筑MOF/COF膜的算法制造技术

本发明专利技术公开了一种高通量快速构筑MOF/COF膜的算法，该算法的步骤如下：调整晶面；构建超晶胞模型；划分结构组成单元；根据MOF/COF材料实际合成特点，分析超晶胞内部的结构组成单元；构建层板模型主要结构；表面结构处理；保存输出结构。本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术可以快速地构筑出较为合理的MOF/COF膜和表界面结构的模型，不仅能表示膜的表界面结构还能反映膜的晶面取向特征，从而为相应的计算机分子模拟研究提供大批量的模型基础。针对当期结合分子模拟技术的高通量筛选研究中缺乏大量的MOF/COF表界面/膜结构模型的问题，快速构建该类模型。型。型。

【技术实现步骤摘要】
一种高通量快速构筑MOF/COF膜的算法


[0001]本专利技术涉及金属有机框架材料，具体为一种高通量快速构筑MOF/COF膜的算法。

技术介绍

[0002]金属有机框架材料(MOF)和共价有机框架材料(COF)材料的化学组成和晶体结构等性质可高度调控，因此该类材料的种类极其多样，从理论上讲，MOF/COF的种类可以达数以百万计。因此，在发展MOF/COF材料的某一类特定应用时，如何快速的筛选出具有最优性能的MOF/COF材料变得极为困难。通过计算机分子模拟技术，可以快速的计算MOF/COF的吸附、分离等性质，已被证明是一种高通量地设计出具有特定应用或功能的MOF/COF结构的有效方法。
[0003]MOF/COF材料的高通量理论模拟研究的开展，必须为计算机提供大量的结构模型。当前，此类模型主要为MOF/COF的三维周期性晶体结构模型。而将MOF/COF应用于吸附、分离、催化等应用领域时，其表界面作用和晶面取向的影响同样不可忽视。此外，以MOF/COF构筑膜材料是应用其性能优势的重要手段，而当前对其大规模计算机筛选的研究中，仍然基于MOF/COF三维周期性模型估算膜材料的性能；因此难以考虑膜材料的弯曲和变形，并且对分子模拟方法的选择也会造成一定限制，导致计算结果存在局限性。因此，有必要发展一种快速构建MOF/COF膜模型的方法，以提供大量的MOF/COF膜的模型，该模型可以反映材料的表界面性质，从而为MOF/COF材料的高通量筛选方法的进一步发展提供重要的研究基础。
[0004]然而，MOF/COF的结构多样性也使得膜模型的高通量构筑极具挑战性。以MOF为例，该类材料具有多变的配体单元，其结构特征千变万化，如尺寸长短不一、取向多变、侧链的种类和数量多样、与金属节点的配位结构存在多种差异等；正是由于这些因素，在构筑MOF的表界面/膜模型时，若简单地通过切割晶面的方式进行，将破坏表面配体单元结构的完整性，这显然会导致不合理的表面结构，从而影响计算机分子模拟结果的准确性，甚至产生误导性的模拟数据。
[0005]有鉴于此，本专利技术提出一种算法，可以快速地构筑出较为合理的MOF/COF膜和表界面结构的模型，不仅能表示膜的表界面结构还能反映膜的晶面取向特征，从而为相应的计算机分子模拟研究提供大批量的模型基础。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种高通量快速构筑MOF/COF膜的算法，针对当期结合分子模拟技术的高通量筛选研究中缺乏大量的MOF/COF表界面/膜结构模型(表界面/膜结构模型或用层板模型表述)的问题，快速构建该类模型。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下：一种高通量快速构筑MOF/COF膜的算法，该算法的步骤如下：
[0008]S1,调整晶面；读取MOF/COF的晶体结构，选择层板模型所要暴露的晶面以及层板模型的厚度，根据所要暴露的晶面重新定义MOF/COF的三条晶轴，即a,b轴为该选定晶面所
在平面内的晶轴，c轴为该选定晶面所在平面外的晶轴；根据定义的三条晶轴，重新计算相应的原子坐标；
[0009]S2,构建超晶胞模型；根据层板模型的厚度，对MOF/COF的晶体结构在c轴方向上进行周期性延拓，构建超晶胞，使得超晶胞在垂直于晶面的方向即z轴方向上的高度超过层板模型的厚度，且z轴方向上的高度至少超出对应MOF/COF单晶胞的高度的二倍；
[0010]S3,划分结构组成单元；根据MOF/COF材料实际合成特点，分析超晶胞内部的结构组成单元；
[0011]对于MOF晶体，结构组成单元主要通过金属节点划分，包括金属节点结构组成单元和非金属结构组成单元；
[0012]对于COF晶体，结构组成单元主要通过特征键划分，特征键包括亚胺键或硼酸键等常见COF的特征键；
[0013]S4,构建层板模型主要结构；根据需要设定的层板模型的厚度h，在超晶胞结构z轴方向上，设定出一个层板模型的厚度为h的高度区域，该高度区域的最低点和最高点对应的位置分别记为z
min
和z
max
；
[0014]S5,表面结构处理；
[0015]对于MOF，根据模拟需求选择是否进行表面质子化；若需要MOF膜的模型进行表面质子化，根据保留的多原子结构组成单元，分析与多原子结构组成单元连接的金属离子是否保留在输出文件中，若是相应的金属离子未保留，则在与多原子结构组成单元连接的金属原子上连接一个氢质子(氢元素)；其中预先定义一些常见官能团的质子化方式，如羧酸结构的两个氧原子不能同时质子化，只能有一个氧原子连接一个质子；MOF表面质子化的方式应当遵循这些预定义的结构规则；
[0016]若是模拟需求选择不需要MOF膜的模型进行表面质子化，则不进行表面结构处理；
[0017]对于COF晶体，由于结构组成单元中的部分原子包含在特征键之中，在实际的合成反应中，生成该特征键意味着部分原子以水或其他小分子化合的方式被释放出去，对于不同的特征键，预先定义相应反应物的反应位点结构，然后对于层板表面结构组成单元，按照预先定义的结构增加相应的原子，以修复表面结构，得到合理的表面结构；在修复过程中，根据模拟需求选择是否添加相应的质子；
[0018]将这一步骤增加的原子元素类型和原子坐标保留至输出的结构文件中；
[0019]S6,保存输出结构；根据模拟需求，在输出的结构文件中，定义真空层的高度，以及所输出的MOF/COF膜模型的晶轴和晶轴夹角信息，与以上步骤中输出的结构信息共同构成所需要的MOF/COF膜的模型，并存储为计算机模拟程序可识别的文件格式；如“.cif“,”.pdb”文件等；
[0020]按照以上步骤循环处理下一个MOF/COF结构输入文件，直到所有的MOF/COF结构输入文件被处理完毕。
[0021]进一步的，所述S1中的调整晶面，由于MOF/COF具有各向异性，对于不同的MOF/COF模型，往往需要暴露不同的晶面，在高通量构筑膜模型的过程，无法针对每个MOF/COF模型一一指定合适的晶面，所选择的晶面根据一定的算法自动指定合理的暴露晶面。
[0022]进一步的，提供一种自动指定合理暴露晶面的算法，通过该算法更加高效地实现MOF/COF膜模型的高通量构筑；具体步骤为：
[0023]S11,设置一个常见晶面的列表，MOF/COF模型的常见晶面列表设置为(001)，(010)，(001)，(110)，(101)，(011)，(111)；
[0024]S12,通过输入文件中的空间点群，或者采用将晶体结构沿晶轴旋转的方法，得到晶胞结构的对称性，根据晶胞结构的对称性判断常见晶面列表中的晶面是否是等价的晶面；除根据对称性判断之外，或是直接将晶面结构两两比较，经对称操作后，晶面结构重叠，则认为两个晶面之间等价；在晶面列表中，每类等价的晶面中仅保留任意一个晶面，其余的删除，即将晶面分类；
[0025]S13,根据每类晶面的结构，计算其可贯通的孔道(即该孔道可连通MOF/COF膜的两侧)所对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高通量快速构筑MOF/COF膜的算法，其特征在于：该算法的步骤如下：S1,调整晶面；读取MOF/COF的晶体结构，选择层板模型所要暴露的晶面以及层板模型的厚度，根据所要暴露的晶面重新定义MOF/COF的三条晶轴，即a,b轴为该选定晶面所在平面内的晶轴，c轴为该选定晶面所在平面外的晶轴；根据定义的三条晶轴，重新计算相应的原子坐标；S2,构建超晶胞模型；根据层板模型的厚度，对MOF/COF的晶体结构在c轴方向上进行周期性延拓，构建超晶胞，使得超晶胞在垂直于晶面的方向即z轴方向上的高度超过层板模型的厚度，且z轴方向上的高度至少超出对应MOF/COF单晶胞的高度的二倍；S3,划分结构组成单元；根据MOF/COF材料实际合成特点，分析超晶胞内部的结构组成单元；对于MOF晶体，结构组成单元主要通过金属节点划分，包括金属节点结构组成单元和非金属结构组成单元；对于COF晶体，结构组成单元主要通过特征键划分，特征键包括亚胺键或硼酸键常见COF的特征键；S4,构建层板模型主要结构；根据需要设定的层板模型的厚度h，在超晶胞结构z轴方向上，设定出一个层板模型的厚度为h的高度区域，该高度区域的最低点和最高点对应的位置分别记为z
min
和z
max
；S5,表面结构处理；对于MOF，根据模拟需求选择是否进行表面质子化；若需要MOF膜的模型进行表面质子化，根据保留的多原子结构组成单元，分析与多原子结构组成单元连接的金属离子是否保留在输出文件中，若是相应的金属离子未保留，则在与多原子结构组成单元连接的金属原子上连接一个氢质子；若是模拟需求选择不需要MOF膜的模型进行表面质子化，则不进行表面结构处理；对于COF晶体，结构组成单元中的部分原子包含在特征键之中，对于不同的特征键，预先定义相应反应物的反应位点结构，然后对于层板表面结构组成单元，按照预先定义的结构增加相应的原子，以修复表面结构，得到合理的表面结构；在修复过程中，根据模拟需求选择是否添加相应的质子；S6,保存输出结构；根据模拟需求，在输出的结构文件中，定义真空层的高度，以及所输出的MOF/COF膜模型的晶轴和晶轴夹角信息，与以上步骤中输出的结构信息共同构成所需要的MOF/COF膜的模型，并存储为计算机模拟程序可识别的文件格式；按照以上步骤循环处理下一个MOF/COF结构输入文件，直到所有的MOF/COF结构输入文件被处理完毕。2.根据权利要求1所述的一种高通量快速构筑MOF/COF膜的算法，其特征在于：所述S1中的调整晶面，对于不同的MOF/COF模型需要暴露不同的晶面，在高通量构筑膜模型的过程，无法针对每个MOF/COF模型一一指定合适的晶面，所选择的晶面根据一定的算法自动指定合理的暴露晶面。3.根据权利要求2所述的一种高通量快速构筑MOF/COF膜的算法，其特征在于：提供一种自动指定合理暴露晶面的算法，通过该算法高效地实现MOF/COF膜模型的高通量构筑；具体步骤为：
S11...

【专利技术属性】
技术研发人员：张仕通，张政清，贺艳静，仲崇立，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：