本文介绍了一项针对锂掺杂铜基金属-有机骨架（Li-doped Cu-based Metal-organic Frameworks，Li-Cu MOFs）在甲醇吸附领域的计算化学研究。研究由吴颖、刘德飞和席红霞等人完成，发表在《中国科技论文在线》上。研究内容基于巨正则蒙特卡洛（Grand Canonical Monte Carlo，GCMC）模拟与密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）的结合方法，主要评估了锂离子掺杂对铜基金属-有机骨架（Cu-BTC）吸附甲醇功能的影响。
在研究中，作者对比了原始的Cu-BTC与掺杂锂后的Cu-BTC-Li在甲醇吸附能力上的差异。结果表明，在测试的压力范围内，锂掺杂后的骨架对甲醇的吸附能力更强，并且表现出更连续的吸附行为。这一现象可以归因于锂原子在骨架中创建了新的吸附位点（Li-sites），这些新位点成为了甲醇吸附的首选位点，而原本的铜位点（Cu-sites）则不再是首选。研究还指出，在不同的压力条件下，锂掺杂对甲醇的吸附效果有不同的影响。
在较低压力下，甲醇与骨架之间的静电相互作用起主导作用，对吸附的贡献超过了95%。锂掺杂增强了这种相互作用，通过提高骨架的静电势来增强吸附。而在较高压力下，吸附行为则由色散相互作用主导，锂掺杂通过在笼状结构空间内施加立体压缩来改善这种相互作用，进一步优化了吸附性能。
本文提到的锂掺杂功能化是指通过向基质材料中引入锂离子来改变其化学性质和吸附性能。模拟部分则采用了GCMC方法，这是分子模拟领域常用的一种模拟方法，常用于研究气体在多孔材料中的吸附行为。GCMC模拟能够提供关于吸附剂吸附能力、吸附选择性以及在不同温度和压力条件下的吸附行为的详细信息。
密度泛函理论（DFT）是量子化学中的一种理论框架，用于描述多电子系统。DFT计算常用于材料科学、化学和物理学中，以预测分子或固体材料的电子结构和性质。在本研究中，DFT计算被用于分析锂掺杂对Cu-BTC MOFs电子结构的影响，从而解释了锂掺杂对吸附性能的改性机理。
金属-有机骨架（MOFs）是一类新兴的具有明确结构的晶态多孔材料，由金属簇和有机连接体构成。这些材料具有可调节的孔隙结构和巨大的比表面积，因而在气体吸附、分离和储存等领域展现出巨大的潜力。在本研究中，作者关注的是Cu-BTC MOFs。Cu-BTC，又名HKUST-1或MOF-199，因其额外的结合位点和结构稳定性而被认为在潮湿空气中也能保持高性能的吸附能力。
MOFs被广泛用于小分子的吸附研究，例如氢气和甲烷等，这些研究大多集中于非极性分子的吸附。然而，对于小极性分子如甲醇的吸附研究则相对较少，尽管这类分子不仅在MOFs上作为极性吸附质具有代表性，而且在技术上对于挥发性有机化合物（VOCs）的捕捉以及甲醇应用等方面存在迫切需求。
在本研究的实验部分，首先构建了Cu-BTC的模型，然后通过在铜位点插入锂原子形成新的吸附位点，生成Cu-BTC-Li的模型。随后，利用GCMC模拟和DFT计算相结合的方法，对Cu-BTC和Cu-BTC-Li两种模型的甲醇吸附性能进行了全面评估。最终，研究结果揭示了锂掺杂对Cu-BTC骨架吸附性能的改善作用，并提供了锂掺杂改性MOFs材料吸附性能的理论依据和实验数据。
根据研究结果，作者认为锂掺杂可以有效地提升MOFs在甲醇吸附方面的能力，特别是在低压力条件下。这为MOFs在挥发性有机化合物（VOCs）吸附和处理，以及相关工业应用领域的发展提供了新的思路和方法。同时，研究也为通过材料设计和改性来优化MOFs吸附性能提供了理论基础，预示着在环境治理和清洁能源存储等方面可能的应用前景。
