近日，郑州大学周震教授和田芸副教授带领研究团队通过正向设计和逆向设计相结合的方法全面探讨了 HOF 中的气体分离机理，推动了用于 Xe/Kr 精准分离 HOF 材料的理性设计，极大加快了材料研发进程。该工作基于基因组学方法构建了首个大规模 HOF 数据库，并实现了 HOF 结构的快速生成与 Xe/Kr 分离性能的高通量预测（基于经典密度泛函理论计算）。针对传统正向设计依赖化学直觉、难以探索未知机制的问题，创新性地融合“正向设计”与“逆向工程”策略，提出一种迭代式逆向设计框架，不仅高效筛选出高性能 HOF 材料，更深刻揭示了其背后隐藏的分离机制。值得关注的是，逆向设计所得到的 HOF 新结构表现出卓越的 Xe/Kr 选择性（超过 10³），性能远超当前报道的最佳吸附剂。更重要的是，通过该框架的系统分析，突破了对 Xe/Kr 分离机理的传统认知： HOF 中的分离行为并非由广泛认为的极化率差异主导，而是由孔道筛分效应与氢键强度变化共同驱动的协同机制。基于这一新机制，该工作进一步提出一个兼具可解释性与普适性的结构描述符，能够有效融合氢键网络环境与关键孔道结构特征，从而广泛用于新型 HOF 材料的快速筛选与性能预测。因此，该工作通过构建一套从机理解释到材料设计的完整研究范式，为多孔材料基因组学开发与实验验证提供了新思路。未来，该逆向设计框架还有望拓展至其他功能材料体系，推动材料研发范式从“经验试错”走向“智能设计”。该成果以“A mechanism-guided inverse engineering framework to unlock design principles of H-bonded organic frameworks for gas separation”(《逆向设计机器学习框架解锁氢键有机框架的气体分离机制和设计原则》)为题，发表在英国皇家化学会期刊 Chemical Science#ChemSci 上。
论文信息
A mechanism-guided inverse engineering framework to unlock design principles of H-bonded organic frameworks for gas separationYong Qiu, Lei Wang, Letian Chen, Yun Tian*（田芸，郑州大学）, Zhen Zhou*（周震，郑州大学） and Jianzhong Wu Chem. Sci., 2025, 16, 17450-17460 https://doi.org/10.1039/D5SC04332H
本文通讯作者，郑州大学化工学院原院长、长江学者、享受国务院政府特殊津贴专家。主持国家重点研发计划项目课题和国家自然科学基金重点项目等研究，通过高通量计算、实验与机器学习相结合设计可再生能源存储与转化材料与系统。在 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.和 Adv. Mater. 等期刊上发表论文 350 余篇，被引 51000 余次，h-index 为 127。2014-2024 年连续 12 年入围“爱思唯尔”中国高被引学者榜。2018-2025 年连续 8 年入选“科睿唯安”全球高被引科学家。2020 年入选英国皇家化学会会士(FRSC)。现为 Journal of Materials Chemistry A 和 Green Energy & Environment 等期刊副主编、Journal of Power Sources 编辑以及 Batteries & Supercaps 和《过程工程学报》等期刊编委，中国电子学会化学与物理电源技术分会第八届委员会委员、中国化学会理论化学专业委员会委员、中国自然资源学会资源循环利用专业委员会委员和河南省委决策咨询委员会委员。
期刊简介
rsc.li/chemical-science
Chem. Sci.
2-年影响因子*
7.5分
5-年影响因子*
7.8分
JCR 分区*
Q1 化学-综合
CiteScore 分†
12.6分
中位一审周期‡
33天
Chemical Science 是涵盖化学科学各领域的跨学科综合性期刊，也是英国皇家化学会的旗舰期刊。所发表的论文不仅要在相应的领域内具有重大意义，而且还应能引起化学科学其它领域的读者的广泛兴趣。所发表的论文应包含重大进展、概念上的创新与进步或者是对领域发展的真知灼见。发文范围包括但不限于有机化学、无机化学、物理化学、材料科学、纳米科学、催化、化学生物学、分析化学、超分子化学、理论化学、计算化学、绿色化学、能源与环境化学等。作为一本钻石开放获取的期刊，读者可以免费获取所发表论文的全文，同时从该刊的论文版面费由英国皇家化学会承担，论文作者无需付费。
