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本文综述了离子液体 / 金属有机框架（IL/MOF）复合材料在气体分离领域的应用。该材料结合了 IL 和 MOF 的特性，在吸附和膜基气体分离中表现出色。文章探讨了其合成、应用、计算研究，以及面临的挑战与机遇，为相关研究提供了全面参考。
引言
离子液体 / 金属有机框架（IL/MOF）复合材料融合了离子液体（ILs）和金属有机框架（MOFs）独特的结构与化学性质。ILs 是室温下呈液态、低挥发性的盐，常用作优良溶剂和电解质。MOFs 则是由金属离子与有机配体配位形成的多孔材料，拥有超高的比表面积和可调节的孔隙率 ，在气体存储和分离等领域极具潜力。
ILs 的可调节粘度、热稳定性等特性，与 MOFs 的高比表面积、可调节孔隙率相结合，造就了性能更优的 “IL/MOF 复合材料”（文献中也记作 IL@MOF）。这些新材料在气体存储、分离、催化、传感等诸多领域都得到了广泛研究。
IL/MOF 复合材料通常采用原位合成技术（如离子热合成）和后合成修饰技术（如毛细管作用、湿浸渍、瓶中造船法、接枝等）制备。合成过程中，IL 分子可以填充 MOF 的孔隙，为客体分子提供新的吸附位点，进而提升复合材料的稳定性和功能性；也可以覆盖在 MOF 颗粒的外表面，通过允许特定气体分子进入 MOF 笼，而阻挡其他分子，来提高选择性 。得益于近年来在优化合成方法和理解 IL 与 MOF 间分子相互作用方面的努力，已设计出多种具有特定性能、适用于不同应用场景的复合材料。例如，IL/MOF 复合材料在气体分离性能上优于纯 ILs 和单一 MOFs，尤其是在二氧化碳（CO2）捕获方面表现突出。此外，该复合材料还具备更好的催化活性，在化学制造和环境修复中意义重大；其独特的电化学性质，使其在储能和能量转换技术领域前景光明；利用其离子导电性，还推动了先进传感器和电子设备的发展。
目前，IL/MOF 复合材料最成熟的应用领域是气体吸附和分离。ILs 能够改变 MOFs 的孔结构和表面化学性质，不仅提高气体吸附量和选择性，还能增强材料的热稳定性和化学稳定性，使其可在恶劣环境下使用。早期对 IL/MOF 复合材料的研究主要集中在实验合成和单组分气体（主要是 CO2、CH4和 N2）吸附测试，之后研究范围扩展到基于吸附的不同气体分离。为深入理解 IL/MOF 复合材料气体分离性能提升的原因，在分子层面研究 IL - MOF 相互作用变得至关重要，于是出现了从原子层面详细模拟该复合材料气体吸附过程的研究。随着计算能力的快速提升和合成复合材料数量的增多，现在常将高通量分子模拟与数据科学方法（主要是机器学习，ML）相结合，来研究 IL/MOF 材料，从而指导新型复合材料的设计与合成，以满足特定应用需求。
尽管该领域发展迅速，但现有文献显示，IL/MOF 复合材料的设计大多仍依赖试错法。因此，急需一个综合框架，整合最新进展，尤其是计算机辅助的理性设计策略。本文旨在填补这一空白，概述 IL/MOF 复合材料在气体吸附和分离领域的研究现状，重点阐述计算研究在指导实验设计、优化材料吸附和分离性能方面的关键作用。
背景
可供选择的 ILs 和 MOFs 种类繁多，为气体吸附和分离应用提供了大量潜在组合。据估计，IL 的可能结构约有 1018种，截至 2024 年 11 月，通过 Conquest 软件收集到的实验报道的 MOF 结构达 128,319 种，这意味着形成 IL/MOF 复合材料的独特组合可能超过 1023种。在过去二十年里，IL/MOF 复合材料的设计取得了显著进展，出现了许多重要的里程碑成果。
IL/MOF 复合材料用于基于吸附的气体分离
吸附剂是一类多孔固体材料，能够在其表面结合并保留分子或离子，在气体分离和净化过程中不可或缺。近年来，与传统分离技术相比，吸附剂因碳足迹更低、成本效益高、可扩展性强以及热稳定性和化学稳定性更好等优势，受到广泛关注。常用的吸附剂包括传统材料，如沸石等晶体材料。IL/MOF 复合材料作为吸附剂，在多种气体的捕获和分离中展现出优异性能，例如 CO2、氨气、水蒸气、SO2、碘、甲醛、H2S 等。
IL/MOF 复合材料用于基于膜的气体分离
近年来，与传统分离技术相比，膜因碳足迹更小、成本更低、机械和热稳定性更强、环境友好且可扩展性好等优点，备受关注。膜的性能通常由两个指标衡量：气体渗透率，即单位时间内透过膜的气体量；选择性，用于描述材料分离不同气体的有效程度。IL/MOF 复合材料作为混合基质膜（MMMs）的填料，在 CO2/N2和 CO2/CH4等气体分离中，可有效提高膜的选择性。
计算方法在 IL/MOF 复合材料理性设计中的作用
如前文所述，IL/MOF 复合材料无论是作为吸附剂，还是作为 MMMs 的填料，在气体分离应用中都展现出提升气体分离性能的巨大潜力。然而，鉴于潜在的 IL/MOF 以及 IL/MOF/ 聚合物组合设计空间极为广阔，该领域的许多实验工作仍依赖试错法，既耗时又耗费资源。计算方法，如分子建模和机器学习，能够在分子层面深入理解 ILs 与 MOFs 之间的协同相互作用，为复合材料的结构、功能和性能特征提供见解。高通量分子模拟可对大量不同的 IL - MOF 对进行筛选，从而确定适用于特定气体吸附和分离应用的最佳复合材料候选者。将这些分子模拟与 ML 技术相结合，能够指导实验工作，助力合成更具前景的 IL/MOF 复合材料。
结论与展望
当前，迫切需要开发创新的气体分离技术，以应对气候变化和环境污染等全球性挑战。IL/MOF 复合材料作为传统吸附剂和膜材料的有力替代品，在碳捕获、天然气净化和氢气分离等领域表现突出。本文全面综述了 IL/MOF 复合材料在气体分离领域的研究现状，涵盖其合成、应用、计算研究等方面，并探讨了该领域面临的挑战与未来机遇。未来，需加快设计策略的发展，推动 IL/MOF 复合材料在气体吸附和分离应用中的进一步发展，以满足日益增长的工业需求，为应对全球环境问题提供更有效的解决方案。
