随着全球对碳中和目标的不断追求，多孔材料如MOF、COF和分子筛等因其在气体吸附和分离方面的卓越性能而备受关注，其中MOF材料更是在2025年获得了诺贝尔化学奖。在这一领域，计算模拟技术已成为加速材料发现和优化的强大工具。
本次课程由华算科技技术部总监、经验丰富的杨站长主讲。课程针对 MOF/COF/分子筛等碳中和关键材料，系统讲授基于Materials Studio的GCMC吸附模拟全流程技术。
以顶刊热点材料UiO-66、开放金属位点MOF、ZIF-8等热点材料为实战案例，融合QM与MM方法（Sorption模块GCMC + DMol3模块DFT），覆盖三大核心技术链：
✅ 材料构建：从数据库下载、结构修饰（如配体替换/金属位点处理）到晶体建模陷阱破解；
✅ 吸附模拟：C₂H₂/CO₂吸附机理解析+Locate/Fixed Loading/Fixed Pressure参数设置+吸附等温线/等量吸附热计算；
✅ 深度分析：孔道自由体积/康纳利表面量化+小分子HOMO-LUMO/静电势计算+MOF团簇吸附能预测。
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MS杨站长：华算科技全职技术资深专家，曾就职于德国马克思普朗克研究所，日本WPI研究所，并曾在芬兰阿尔托大学进行长期访问，作为PI主持欧盟、日本科研项目6项。
1. 课程介绍、多孔材料定义、按骨架结构分类
2. 分子筛、MOF、COF与的定义、命名规则，常见分子筛、MOF、COF的特点
3. 烯烃、炔烃、烷烃小分子分离材料、吸附机理与选择性
学习目标
✅ 掌握COF、MOF、分子筛结构特点、命名规则
✅ 理解小分子在多孔材料中的吸附机理
第2章：MOF结构下载
1. MOF的cif获得方法：晶体数据库、MS杨站长公众号、文献
2. 各大收费、免费数据库的结构查询方法、特点、ID tool与search tool
3. 通过常用名直接搜索、通过SMILES搜索与下载
4. 展示MOF金属簇、配体、对称性的网站及使用方法，MP与QMOF
5. ref code与CCDC code的区别、搜索方法，通过文献下载cif的方法
6. UiO-66、ZIF-8下载、数据库里cif该选哪个、网站中的结构显示模式、金属簇与配体的连接方式、对称性、mol2与cif格式导出
学习目标
✅ 掌握COF、MOF的搜索、下载方法
第3章：MOF结构调整
1. 结构导入、键的连接、换背景、打光、出结构图
2. MOF、COF中多余H的删除、自动加氢功能
3. MOF建模常见问题：金属原子部分占位
4. MOF建模常见问题：开放金属位点配位H2O与羟基的插入和删除（方法：根据力场全选、相似分子全选、通过脚本全选）
5. MOF建模常见问题：cif打不开的处理方法
学习目标
✅ 掌握COF、MOF结构处理、出图
✅ 解决多种MOF建模常见问题
第4章：GCMC计算Locate-1
1. 根据CCDC号查找修饰的UiO-66，删除多余H，稀土元素键的连接，金属簇与有机配体的连接形式，力场与电荷分配
2. Universal通用力场的粗糙之处、周期性体系净电荷报错的处理方法、Qeq电荷分配方法
3. 修饰UiO-66的结构优化、什么时候不做结构优化、MOF静电求和与范德华求和方法
4. GCMC Locate计算参数设置，刚性分子，吸附作用中的共价键、静电与范德华相互作用、最大加载步数、production steps，蒙特卡洛方法Metropolis与 Configurational bias的区别
5. 最低能量帧中的吸附构型分析、C2H2、CO2与MOF有机配体吸附机理详解、吸附距离测量、能量比较
学习目标
✅ 了解COF、MOF的力场、电荷分配方法
✅ 掌握GCMC计算的参数设置方法
✅ 学会吸附构型分析
第5章：GCMC计算Locate-2
1. 从面试、科研训练、投文章角度解释做科研无捷径可走、吸附分析的复杂之处，从找租房角度理解分子配位环境
2. 根据对称性去除有机配体的部分占位原子
3. CO2/C2H2分离，CO2与C2H2与骨架相互作用的不同之处，修饰与未修饰UiO-66结构对CO2/C2H2吸附对比
4. 修饰UiO-66结构与CO2相互作用，氢键相互作用
学习目标
✅ 掌握部分占位原子的去除
✅ 了解CO2与C2H2与骨架相互作用的不同之处
✅ 了解如何修饰MOF以增强吸附
第6章：GCMC计算Locate-3
1. MIL-101与HNUST-9的开放金属配位点，其与CO2的作用形式
2. 去除MOF中多余H2O的三种方法
3. 根据对称性与占比分数抠除部分占位的配体，空间群表对称符号详解，惯用胞向原胞转换，新结构的原子数确认
4. 路易斯酸碱理论，酸碱相互作用，CO2与两个Cu簇同时作用
5. 吸附构型不同出图模式
学习目标
✅ 了解开放金属位点与小分子的作用形式
✅ 熟悉晶体对称性，以合理去除部分占位配体
✅ 了解路易斯酸碱理论
第7章：GCMC计算Fixed Loading
1. Fixed loading与Locate、fixed pressure功能的区别
2. Equilibration与Production步数设置
3. 能量最低帧的多分子吸附构型，能量概率分布，能量演化，范德华能、静电相互作用能、分子间作用能，吸附热
4. 分子间相互作用形式
5. 吸附快照出图、结构中的原子反选
学习目标
✅ 掌握吸附快照出图
第8章：GCMC计算Fixed Pressure
1. 计算参数设置，Equilibration与Production步数，达到平衡的标准，压强，电荷
2. 吸附量、等量吸附热、最低能量结构出图、相互作用能、非键、范德华、静电、分子间相互作用能
3. 课上练习：三维吸附密度分析与解释、吸附位点分析、分辨率调整、颜色与透明度调整
4. 发文章级别GCMC计算的参数设置，三维吸附密度、二维切片出图与分析，正常与非常数据的区别
5. 平衡步数对密度图的影响、高密度与低密度吸附位点
6. 修饰UiO-66结构的吸附密度分析
学习目标
✅ 掌握判断平衡的方法
✅ 学会计算吸附量、等量吸附热
✅ 学会吸附密度作图与分析
第9章：吸附量计算
1. 单胞里分子吸附个数转换成mmol/g，单胞摩尔质量计算常规方法
2. 不同MOF的吸附量对比，吸附量与材料密度、孔的大小的关系
3. 吸附量转换成mg/g，小分子摩尔质量计算
4. 吸附量转换成STP cm3/g，气体状态方程
学习目标
✅ 学会吸附量不同单位转换
✅ 了解吸附量与材料密度、孔大小的关系
1. 逸度定义，逸度与压强的区别
2. 常见分子的临界压强、临界温度、偏心因子查询
3. Peng-Robinson方程，逸度转换脚本的操作方法，1个、10个、100个大气压对应的CO2的逸度
4. 多种气体混合物在某压强下的逸度计算
学习目标
✅ 学会查表得到临界参数、偏心因子
✅ 掌握通过脚本计算逸度
第11章：吸附等温线
1. Adsorption Isotherm与fixed pressure计算的联系，计算参数设置，计算速度，输出文件解读，单位转换工具
2. 每个压力点的吸附量、吸附热，平衡判断条件，吸附等温线解释，横轴log形式
3. 吸附量计算中单胞摩尔质量的简单计算方法
4. 输出表格中的吸附量、吸附热、能量分布、吸附密度
5. 吸附等温线、uptake曲线origin拟合，计算数据误差来源
学习目标
✅ 掌握吸附等温线计算方法
✅ 学会评估计算时间
✅ 学会吸附等温线拟合
第12章：孔道计算1
1. 范德华表面，康纳利表面，溶剂表面的解释
2. 可及溶剂表面，探针半径对表面形状的影响
3. 分子的分子动力学半径，其它参数选取
4. ZIF-8 Connolly surface、Solvent surface、vdW surface，孔的形状
5. COF/MOF结构在网页及文献中的下载，MS打不开cif的处理方法
学习目标
✅ 了解范德华、康纳利与溶剂表面的差异
✅ 了解COF结构的获得方法
1. COF结构特点、Connolly surface出图、free volume自由体积与其占比、三维孔道显示、透明度调整、骨架与孔道的切片显示
2. 孔道分离出图的两种模式、孔道分析
3. 孔的长轴、短轴、直径测量
4. 理论表面积与孔体积每克的计算
学习目标
✅ 学会康纳利表面出图
✅ 学会自由体积占比
✅ 学会测量孔的直径
第14章：小分子性质1
1. C2H6、C2H4、C2H2、CO2建模、二面角测量
2. 结构优化设置（强制能量收敛）、静电势、原子电荷、电子密度、HOMO/LUMO计算设置
3. 原子Mulliken、ESP与Hirshfeld电荷分析、键级分析与对比
4. 静电势本质分析，从静电势、原子电荷分析吸附强弱
5. 静电势绘图，配色方案调整、虚线消除，特定点静电势取值
学习目标
✅ 掌握小分子静电势计算方法
✅ 学会原子电荷、键级分析
✅ 学会根据静电势、原子电荷分析吸附强弱
1. HOMO/LUMO轨道绘图、pz轨道、σ键、π键、成键轨道、反键轨道、能级分析
2. CO2与C2H2的原子电荷、静电势对比
3. MView软件下载与操作、SMILES查询与输入、预优化
4. pdb格式导入、不同小分子的直径与尺寸计算
学习目标
✅ 掌握HOMO/LUMO出图
✅ 学会用MView计算分子尺寸
第16章：MOF静电势
1. 静电势用途、为什么要做DMol3结构优化、参数选取、影响计算量的因素
2. 单点能计算、静电势计算参数设置、从remote view、status文件监督计算过程
3. 简化MOF计算量的方法、内存不够的解决办法、电子密度等值面与静电势绘制
4. 静电势的决定因素、表达的信息、与吸附作用的联系，各种基团的静电势高低
5. 静电势透明度、配色调整，二维切片出图、表达的信息
学习目标
✅ 掌握DMol3结构优化
✅ 学会简化MOF计算量
✅ 学会MOF静电势分析
第17章：吸附能计算、MOF团簇截取
1. MOF团簇截取与计算量，截取原则，框架稳定性
2. 分子周围原子的选取，为什么要多选原子，检查并删除多余原子，悬挂键补齐，吸附构型的优化
3. 吸附能计算
4. 周期性边界处的团簇截取，金属簇切断处悬挂键的饱和
5. 下载失败的解决方法、结构优化能量不收敛解决方法，结合能与吸附能的区别
6. 课程展望与总结
学习目标
✅ 掌握MOF截取方法，节省计算量
✅ 学会吸附能计算
第18章：附录 力场与电荷，分子动力学理论
1. 力场项：键长、键角、二面角扭转角、静电/范德华/氢键相互作用、力场表达式、交叉项，各力场对MOF、COF的适用性：COMPASS/Dreiding/Universal
2. 力场的分配：化学键类型、杂化方式、键合离子类型、形式电荷
3. Sorption等分子力学模块的参数设置，静电力与范德华力求和方式：基于原子、组分配，Ewald、PPPM
4. 分子动力学一般流程：建模、结构优化、平衡、采样、分析，系综NPT/NVT/NVE/NPH、控温方法、周期性边界条件、爆炸判据、续算、步长、总模拟时长
5. 服务器选择与设置、实时数据返送、判断消耗时间
6. 服务器连接，网关建立及交作业
学习目标
✅ 掌握力场中各项的定义
✅ 了解MOF/COF力场选取、参数设置
✅ 学会使用服务器进行计算
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