高性能CO₂吸附剂的理性设计是应对全球碳排放挑战的关键。金属有机框架（MOF）材料因其可调的孔结构成为理想候选，然而功能基团的选择缺乏系统指导，限制了其实际应用。本研究通过高通量计算，构建了包含10种金属中心和144种功能化配体（涵盖–NH₂、–NO₂、–CH₃、–CF₃、–SH₂、–SO₂、–OH和–OLi等9类官能团）与36种拓扑结合的4797个MOF结构数据库，系统揭示了结构参数与CO₂捕获性能之间的构效关系。

研究综合评估了吸附选择性（S_ads）、工作容量（ΔN）、吸附性能评分（APS）、选择参数（S_sp）和可再生性（R）等指标，并创新性地提出“能量效率（η）”评价标准，将吸附性能与解吸能耗（包括CO₂解吸热、变压吸附能及净能量损失）相结合，为功能化MOFs的节能型设计提供了新思路。

近期，中国石油大学（华东）理学院博士生刘森（第一作者）与材料科学与工程学院副院长鲁效庆教授（通讯作者）等人基于大规模高通量筛选，从能量效率角度系统评估了九类官能团对MOFs材料CO₂/CH₄和CO₂/N₂分离性能的影响。通过熵权法确定各吸附性能指标的权重，提出统一指标η，量化官能团在提升吸附性能与增加能量投入之间的平衡。最终筛选出在选择性、工作容量及能耗方面表现最优的官能化策略，为面向实际应用的节能型CO₂吸附剂设计提供了理论依据与技术路径。

相关研究成果以“High-throughput computational screening of functionalized MOFs for energy-efficient CO₂ capture: Balancing selective CO₂ adsorption performance and energy inputs”为题发表在期刊Journal of Energy Chemistry上。

图1. MOF数据库构建与四步初步筛选流程。

基于ToBaCCo通过144种功能化有机配体链、10种金属中心和36种拓扑结构的排列组合，构建了包含4797个MOF结构的数据库。首轮剔除PLD<3.3 Å或VSA≤0的无效结构后，数据库规模由4797缩至4322。继而执行四步精炼策略：（1）基于ϕ、ρ、VSA、PLD、LCD五维描述符及官能团/拓扑进行聚类，按比例随机抽取200个样本，t-SNE验证其代表性；（2）以GCMC模拟定标，APS≥150为高性能阈值；（3）Pearson分析锁定PL与 VSA为低相关（r = –0.008）高预测描述符；（4）划定最优区间PLD：3.97–13.42 Å、VSA：609.53–2208.14 m² cm^–3（CO₂/CH₄）或 609.53–2478.71 m² cm^–3（CO₂/N₂），最终分别筛得2505与2633个高质量候选结构。

图2. 不同官能团修饰MOF的S_ads与ΔN对比。–NH₂/–NO₂（a）、–CH₃/–CF₃（b）、–SH₂/–SO₂（c）和–OH/–OLi（d）功能化修饰的MOFs结构中，适用于CO₂/CH₄选择性吸附的S_ads和ΔN的比较。

高通量筛选2505/2633个MOF表明，功能化普遍抬升ΔN和S_ads，且幅度与极性正相关。CO₂/CH₄体系中位S_ads由24.94（未修饰结构）递增至158.64（–OLi），其中–NO₂、–CF₃、–SO₂、–OLi对ΔN和S_ads的协同增益最为显著，凸显极性基团在提升CO₂选择性吸附中的关键作用。

图3. 等温吸附热与主-客体相互作用分析。–SH₂/–SO₂（a）和–OH/–OLi（b）修饰结构中的等温吸附热，以及被吸附的CO₂与主体结构之间的范德华和库仑相互作用（c–d）。

等温吸附焓与官能团极性呈显著正相关，趋势与ΔN、S_ads、APS、S_sp一致。强极性/离子型取代基依次提升结合能：–OLi（−30.09 kJ mol^–1）> –SO₂（−29.96 kJ mol^–1）> –NO₂（−29.15 kJ mol^–1）> –CF₃（−28.61 kJ mol^–1），远高于弱极性基团（−25.95 ~ −28.19 kJ mol^–1）。–OLi的高焓值直接对应其7.94 mmol g^–1的高容量，亦导致再生能耗增大、R降低。能量分解表明，–NO₂，–SO₂、–OLi等高性能体系中以库仑作用为主导（20.93 ~ 27.69 kJ mol^–1），远超范德华贡献（7.04 ~ 10.55 kJ mol^–1），静电优势是极性/离子功能化提升CO₂捕获能力的本质原因。

研究团队开发了一种新的能源效率（η）指标，它集成了吸附性能（Π_ads）和能量输入（E_input）（公式1）。Π_ads结合了ΔN、S_ads、APS和S_sp的加权指标，同时考虑了R（公式2）。E_input包含CO₂解吸热（Q_des）、变压吸附能量（E_PSA）和系统损耗（η_loss: 20%）（公式3）。

其中ω₁、ω₂、ω₃、ω₄分别为利用熵权法得到的ΔN、S_ads、APS、S_sp的权重因子。k_pump（0.25）为真空吸附过程中真空泵的能量转换效率。R和T分别表示通用气体常数（8.314×10^–3 kJ mol^–1 K^–1）和温度（298 K）。

图4. 等温吸附热（a）、被吸附CO₂与CO₂（b）/主体结构（c）之间的范德华和库仑相互作用。不同官能团修饰结构CO₂相对于CH₄（d）和N₂（e）选择性吸附性能的能量效率。

功能化调控可显著提升MOF的CO₂选择性，但需兼顾吸附量、可再生性与解吸能耗。η值排序：–SO₂（6.17）> –CF₃（4.74）> –OLi（3.91）> –NH₂（3.74）> –NO₂（3.28）> –OH（2.56）> –CH₃（1.50）> –SH₂（1.15）> 非功能化（0.99）。其中–NO₂与–OLi虽单体指标突出，却因可再生性骤降（–OLi仅0.37）或解吸能剧增（–OLi：30.09 kJ mol^–1）而失分。综合评估，–SO₂功能化MOF以高选择性（CO₂/CH₄/N₂的S_ads = 149.94/215.54）、中等可再生性（R = 0.48/0.48）及可控放热（29.96 kJ mol^–1）成为最节能方案。

本研究通过构建大规模功能化MOF数据库，系统评估了不同功能团对CO₂捕集性能的影响；创新性地引入“能效”指标，解决了吸附性能与再生能力之间的权衡问题。