一种用于生成氢燃料汽车储氢的金属-有机框架的方法

技术领域

本方法涉及一种用于生成氢燃料汽车储氢的金属-有机框架的方法，可以为实验合成相应的MOF材料提供了理论指导。

背景技术

汽车作为人类不可或缺的交通工具，为人类出行提供了便利。但是燃油汽车的大量使用不仅使能源危机问题更加严重，而且其排放的碳氧化物、硫氧化物等有害物质还会进一步污染环境。由于氢是宇宙中含量最多的元素，而且氢能具有高效、节能的优点，以氢气作为燃料的新能源汽车具有广阔的发展前景。虽然每年企业都会推出性能更优越的氢燃料汽车，但多数汽车储氢都是采用高压储氢的方式，如果储氢罐被损坏或车辆发生碰撞，后果不堪设想。

然而，物理吸附储氢法需要的条件温和、脱附氢气快，因此物理吸附储氢法在氢燃料电池汽车中具有广阔的前景。MOF材料是近几年广受关注的一种纳米材料，具有三维孔结构。它是由金属离子或金属簇与桥连的有机配体相互连接，形成具有周期性网络结构的晶体多孔材料。MOF材料由于具有大的比表面积、高的孔隙率，因而在气体储存领域常用作物理吸附的吸附剂。Yang等通过微波合成法合成UiO-66并分析其储氢性能。Zhu等通过机械化学法合成IRMOF-1、水热反应法合成MIL-101，并且分析了IRMOF-1、MIL-101储氢在船舶燃料电池电力推进系统中的适用性。随着计算机的发展，计算模拟在气体吸附的研究中扮演了十分重要的角色。理论上可以使用金属簇与有机连接基的不同组合设计出无限多个MOF，目前的深度学习使获得无限数量的MOF成为可能，并且针对特定的应用可以设计出性能优越的MOF。Zhang等使用MCTS设计了吸附二氧化碳、甲烷性能好的MOF。Zhang等使用MCTS设计了在潮湿条件下吸附二氧化碳性能好的MOF。虽然，将MOF应用于船舶燃料电池储氢已经有了一定的研究，但是该研究所用的MOF材料已经通过实验得到，并没有增加MOF的种类。到目前为止，基于深度学习的方法得到氢气吸附量大的MOF结构，并将其应用于氢燃料汽车储氢的相关方法还未有人提出。

本方法主要是基于MCTS，共分为4个阶段：选择、扩展、模拟和回溯。首先经过MCTS的选择、扩展阶段得到能够生成完整SMILES字符串的路径，再根据所选路径生成的SMILES字符串，在MCTS的模拟阶段使用改进的GRU对当前SMILES字符串的下一个字符进行预测，模拟结束后将得到一个完整的SMILES字符串，即MOF的有机连接基。随后，在Zeo++中使用金属簇、拓扑网络、有机连接基来构建MOF，接着利用RASPA模拟构建的MOF的氢气吸附量，该吸附量的值作为MCTS在生成有机连接基时所选择的路径的奖励值。最后，在MCTS的回溯阶段，将奖励值向后传播并更新上述路径中的节点信息。

发明内容

本方法主要是基于MCTS，共分为4个阶段：选择、扩展、模拟和回溯。首先经过MCTS的选择、扩展阶段得到生成完整SMILES字符串的路径，再根据所选路径中的SMILES字符串，在模拟阶段使用改进GRU作为策略网络对当前SMILES字符串的下一个字符进行预测，模拟结束将得到一个完整的SMILES字符串，即MOF的有机连接基。随后，在Zeo++中使用金属簇、拓扑网络、有机连接基来构建MOF，进而利用RASPA来模拟构建的MOF的氢气吸附量，该吸附量的值作为MCTS在生成有机连接基时所选择的路径的奖励值。最后，在MCTS的回溯阶段，将奖励值向后传播并更新上述路径中节点的信息。实现本方法共需4个步骤：

步骤1：选择搜索树中UCB值最大的叶子节点；

步骤2：为步骤1得到的叶子节点添加它的子节点，确定生成完整SMILES字符串的路径；

步骤3：得到完整的SMILES字符串，使用该SMILES字符串对应的有机连接基、金属簇以及拓扑网络，在Zeo++中构建MOF，然后对构建的MOF在RASPA中进行氢气吸附性能模拟；

步骤4：将氢气吸附量作为MCTS在生成有机连接基时所选择的路径的奖励值，在MCTS的回溯阶段，将奖励值向后传播并更新步骤2中节点的信息。

当MOF的氢气吸附量的最大值在7小时内保持不变，则认为在该输入下已经得到了氢气吸附性能最好的MOF。

与现有技术相比，本方法的突出特点是：

1.可以使用金属簇与拓扑网络的不同组合设计出无限多个MOF；

2.可以降低化学实验的成本，安全性高；

3.可以为实验合成氢气吸附量好的MOF材料提供理论指导。

附图说明

图1：本方法的系统框图

图2：实验合成的金属簇为Cu

图3：本方法使用Cu

图4：本方法使用Cu

图5：实验合成的金属簇为Zn

图6：本方法使用Zn

图7：本方法使用Zn

具体实施方式

将MOF的金属簇、拓扑网络、目标应用(即吸附氢气)作为输入，经过本方法的处理以后即可得到氢气吸附性能好的MOF。

将使用本方法得到的MOF称为合成MOF，实验合成的MOF称为实验MOF。用Cu

表1使用Cu

使用Zn

表2使用Zn

由表1和表2可知，本方法根据不同输入可以设计得到氢气吸附量更大的MOF，其结构为实验合成相应的MOF材料提供理论指导。