【ZIF-MOF】数据驱动搜索算法用于可合成沸石咪唑酯骨架的发现

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韩国蔚山科学技术院（UNIST）Wonyoung Choe 教授团队在《JACS Au》（2025, 5, 5c00077）发表的研究中，提出了一种结合结构描述符与能量计算的数据驱动搜索算法，用于高效筛选可合成的沸石咪唑酯骨架（ZIFs）。研究从 400 万种沸石结构中筛选出 420 种潜在 ZIF 候选，通过 O-T-O 角差异、顶点符号和 T-O-T 角等几何特征优化，并通过分子力学计算评估合成可行性。实验成功合成了三种新型 ZIF 材料（UZIF-31、UZIF-32、UZIF-33），其中 UZIF-33 表现出优异的 CO₂/CH₄选择性吸附性能（选择性 11.2），为碳捕集与天然气净化提供了新候选。

研究背景
1）行业问题
沸石难题：理论预测的沸石及 ZIF 结构超 400 万种，但实验合成的 ZIF 仅有 38 种，合成与预测严重脱节。
稳定性与应用需求：ZIFs 因其高稳定性和孔隙率在碳中性技术（如 CO₂捕集）中极具潜力，但传统试错法效率低下。
2）研究现状
计算方法局限性：高通量计算预测的材料需实验验证，传统方法成本高、周期长。
结构描述符应用：已有研究通过顶点符号、T-O-T 角等几何特征筛选 ZIFs，但未结合能量评估。
3）本文创新
数据驱动策略：首次整合 O-T-O 角差异（ω<30°）、顶点符号（4,6,8,12 组合）和 T-O-T 角（>130°）三大结构描述符，从 400 万沸石结构中筛选出 420 种候选。
能量辅助筛选：通过分子力学计算评估框架能量与密度关系，建立合成可行性分级（Tier 1-3），缩小实验范围。
实验验证：利用含氮咪唑衍生物（如 4-AzbIm、嘌呤）构建氢键网络，成功合成三种新型 ZIFs，突破传统合成限制。

实验与分析
1）材料合成与表征
合成方法：溶剂热法，以 Zn (NO₃)₂・6H₂O 为金属源，咪唑（Im）与 4 - 氮杂苯并咪唑（4-AzbIm）、5 - 氮杂苯并咪唑（5-AzbIm）或嘌呤（Pur）为配体，在 DMF 中 120℃反应 24-96 小时。
关键表征：
单晶 X 射线衍射（SCXRD）：确定 UZIF-31（uft1）和 UZIF-33（uft2）的新型三维框架结构。
粉末 X 射线衍射（PXRD）：验证材料纯度与模拟结构一致。
N₂吸附（77K）：BET 表面积分别为 1291（UZIF-31）、832（UZIF-32）、1371 m²/g（UZIF-33）。
¹H NMR：确认配体组成与比例。
2）性能分析
CO₂吸附能力：UZIF-33 在 298K、1 bar 下吸附量达 1.73 mmol/g，高于 UZIF-31（1.23 mmol/g）和 UZIF-32（0.85 mmol/g）。
选择性机制：
孔隙环境：UZIF-33 的 12 元环孔道（孔径 1.36 nm）与高极性表面（N/V=3.63 nm⁻³）增强 CO₂亲和力。
热力学参数：CO₂吸附热（Qst）为 - 35.1 kJ/mol，显著高于 CH₄（-18.2 kJ/mol）。
动态分离：在 CO₂/CH₄（50/50）混合气中，UZIF-33 突破时间达 120 s/g，选择性 11.2，优于多数报道 ZIFs。

总结
1）开发数据驱动算法筛选 420 种 ZIF 候选，实验合成 3 种新材料，其中 2 种为新型拓扑结构（uft1、uft2）。
UZIF-33 实现高 CO₂/CH₄选择性吸附（11.2），循环稳定性优异。
2）首次将几何描述符与能量计算结合，建立 ZIF 合成可行性分级体系。
通过含氮配体构建氢键网络，稳定新型框架结构，突破传统 ZIF 合成限制。
3）为多孔材料设计提供高效范式，加速清洁能源技术（如碳捕集、天然气净化）的材料开发。
新型 ZIFs 的高稳定性与选择性为工业气体分离提供实用候选。

Data-Driven Search Algorithm for Discovery of Synthesizable Zeolitic Imidazolate Frameworks
文章作者：Soochan Lee, Hyein Jeong, Sungyeop Jung, Yeongjin Kim, Eunchan Cho, Joohan Nam, D. ChangMo Yang, Dong Yun Shin, Jung-Hoon Lee, Hyunchul Oh, Wonyoung Choe*
DOI：10.1021/jacsau.5c00077
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.5c00077

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