金属有机框架中CO2吸附的通用力场系统评估：实验与模拟不确定性的量化研究

针对金属有机框架（MOFs）碳捕集模拟中力场选择缺乏系统验证的问题，英国斯特拉斯克莱德大学团队通过对比五种MOFs（Cu-BTC、IRMOF-1等）的"共识"实验等温线与七种通用力场（UFF/DREIDING等）模拟结果，发现实验平均误差达15%，力场选择引入10%偏差，仅IRMOF-1的预测准确。研究揭示了开放金属位点（OMS）和结构缺陷对CO2吸附的关键影响，为MOFs计算筛选提供了力场选择标准。

　　

随着全球气候变化加剧，碳捕集技术成为研究热点。金属有机框架（MOFs）因其可调控的孔隙结构和超高比表面积，被视为理想的CO₂吸附材料。然而，面对超过12万种已知MOFs结构，实验筛选成本高昂，计算机模拟成为重要替代手段。但长期以来，模拟预测的可靠性备受质疑——研究者们往往直接套用通用力场（如UFF、DREIDING），却鲜少验证这些参数在特定MOFs中的适用性。更严峻的是，实验数据本身存在15-20%的离散度，导致"用错误参数拟合有噪声数据"的恶性循环。

英国斯特拉斯克莱德大学（University of Strathclyde）的Miguel Jorge团队在《Microporous and Mesoporous Materials》发表的研究，首次系统量化了力场选择与实验数据的双重不确定性。研究选取五种典型MOFs（含开放金属位点的Cu-BTC、Co-MOF-74，存在缺陷的UiO-66，以及IRMOF-1和MIL-47），通过NIST数据库收集并筛选298K下CO₂吸附等温线，建立"共识"实验曲线。采用七种通用力场（含UFF、DREIDING、TraPPE等）进行巨正则蒙特卡洛（GCMC）模拟，通过对比揭示关键发现：实验平均误差约15%，力场选择引入10%偏差；仅IRMOF-1的模拟与实验吻合，而Cu-BTC和Co-MOF-74的差异源于力场无法准确描述CO₂与开放金属位点的特异性作用，UiO-66的偏差则与结构缺陷相关。

关键技术包括：1）基于NIST-ISODB数据库的等温线筛选与体积校正；2）多力场（UFF/DREIDING/AMBER等）参数化对比；3）周期性DFT计算框架电荷；4）考虑缺陷结构的GCMC模拟。

【实验数据收集与处理】
通过严格的数据清洗流程（剔除20%异常值），建立经孔隙体积校正的"共识"等温线。研究发现不同实验室报告的Cu-BTC吸附量差异可达30%，证实实验不确定性的客观存在。

【力场性能评估】
模拟显示通用力场对IRMOF-1预测最佳（误差<5%），因其缺乏特殊相互作用位点。而Cu-BTC和Co-MOF-74的模拟值普遍低于实验值15-25%，源于力场低估了CO₂与开放金属位点的结合能。UiO-66的模拟偏差呈现压力依赖性，与缺陷导致的吸附位点异质性相关。

【电荷与LJ参数耦合效应】
对比发现，采用DFT周期计算电荷可提升预测一致性，而基于团簇模型或电负性均衡的电荷分配方法误差较大。LJ参数对极性分子吸附的影响强于非极性分子（如甲烷）。

研究结论强调：当前通用力场对含特殊位点的MOFs预测存在系统性偏差，需开发针对开放金属位点和缺陷结构的专用参数集。建议未来研究应同时报告实验与模拟的不确定性范围，并优先采用周期性DFT电荷计算方法。该工作为MOFs碳捕集材料的理性设计提供了关键方法论指导，其建立的力场评估框架可扩展至其他气体吸附体系。