目录

主要内容

第一部分

AI与MOF计算基础及环境搭建

1. 关键理论：

1.1. AI 在计算化学中的范式革新：从计算化学到深度学习

1.2. MOF结构-功能关系解析：从金属节点、有机配体的化学特性到宏观吸附、分离性能

1.3. 科学计算与AI工作流整合：数据获取(DB)→结构清洗(Code)→特征计算(Tool)→模型训练(AI)的标准流程

1.4. 量子化学基础：DFT在MOF结构优化、电子结构与吸附位点分析中的应用

案例实践1：

◇ Case 1：使用MOSAEC算法处理CoRE-MOF、QMOF数据库，进行结构合理性校验与数据清洗，确保所有结构满足化学合理性

◇ Case 2：使用Zeo++计算 MOF 孔结构特征（比表面积、孔隙率等）

◇ Case 3：拓扑分析与化学描述符（开放金属位点、有机配体结构式）批量提取

◇ Case 4：使用CP2K完成MOF的晶体结构优化，并计算CH4的结合能，为机器学习筛选出来的潜在候选物进行机理解释。
第二部分

分子模拟和高通量计算在MOFs中的应用

1. 关键理论：

1.1. 分子模拟核心：力场与电荷分配的物理意义与选择策略

1.2. 分子模拟在揭示MOF吸附与分离机制（吸附位点、扩散路径）中的作用

1.3. 高通量计算：作为AI模型“数据工厂” 的搭建流程与MOF 设计中的应用

案例实践2：

◇ Case 1：使用 RASPA2 计算气体吸附/分离性质

◇ Case 2：使用 RASPA2计算等温吸附曲线和气体吸附概率密度图

◇ Case 3： 使用GPU加速的gRASPA实现高通量GCMC模拟，体验“计算产生数据”的规模与效率，并构建后续所需数据集

◇ Case4：高通量GCMC计算结果的分析与可视化，提取结构-性能对应关系。

文献复现：复现经典文献的高通量筛选流程，讨论如何将结果作为AI模型的输入Large-scale screening of hypothetical metal–organic frameworks. Nature Chem 2012, 4, 83–89

DOI: 10.1038/nchem.1192
第三部分

传统机器学习与可解释AI在MOF中的应用

1. 理论部分

1.1. 机器学习在MOF中的QSAR/QSPR模型：结构-性质定量关系

1.2. 特征工程核心：化学描述符（比表面积、孔径等）的物理意义

1.3. 算法深度解析：随机森林（RF）、XGBoost、SVM在吸附预测中的优劣

1.4. 可解释AI前沿：SHAP、SISSO 在挖掘物理机制与发现设计规则中的应用

案例实践3：

◇ Case 1：Python实现XGBoost、SVM、RF模型预测MOF气体吸附分离性质

◇ Case 2：使用贝叶斯优化算法进行参数调优与特征选择

◇ Case 3：基于独立筛选和稀疏算子 (SISSO) 算法从高维特征空间中学习简洁且可解释的物理公式

◇ Case 4：可视化结果：AUC曲线、误差散点图、蜜蜂群图

◇ Case 5：预测未知MOF的吸附性质，验证模型泛化能力

文献复现：Robust Machine Learning Models for Predicting High CO2 Working Capacity and CO2/H2 Selectivity of Gas Adsorption in Metal Organic Frameworks for Precombustion Carbon Capture J. Phys. Chem. C 2019, 123, 7, 4133–4139

DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b10644
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主要内容

第一部分

AI与MOF计算基础及环境搭建

1. 关键理论：

1.1. AI 在计算化学中的范式革新：从计算化学到深度学习

1.2. MOF结构-功能关系解析：从金属节点、有机配体的化学特性到宏观吸附、分离性能

1.3. 科学计算与AI工作流整合：数据获取(DB)→结构清洗(Code)→特征计算(Tool)→模型训练(AI)的标准流程

1.4. 量子化学基础：DFT在MOF结构优化、电子结构与吸附位点分析中的应用

案例实践1：

◇ Case 1：使用MOSAEC算法处理CoRE-MOF、QMOF数据库，进行结构合理性校验与数据清洗，确保所有结构满足化学合理性

◇ Case 2：使用Zeo++计算 MOF 孔结构特征（比表面积、孔隙率等）

◇ Case 3：拓扑分析与化学描述符（开放金属位点、有机配体结构式）批量提取

◇ Case 4：使用CP2K完成MOF的晶体结构优化，并计算CH4的结合能，为机器学习筛选出来的潜在候选物进行机理解释。

第二部分

分子模拟和高通量计算在MOFs中的应用

1. 关键理论：

1.1. 分子模拟核心：力场与电荷分配的物理意义与选择策略

1.2. 分子模拟在揭示MOF吸附与分离机制（吸附位点、扩散路径）中的作用

1.3. 高通量计算：作为AI模型“数据工厂” 的搭建流程与MOF 设计中的应用

案例实践2：

◇ Case 1：使用 RASPA2 计算气体吸附/分离性质

◇ Case 2：使用 RASPA2计算等温吸附曲线和气体吸附概率密度图

◇ Case 3： 使用GPU加速的gRASPA实现高通量GCMC模拟，体验“计算产生数据”的规模与效率，并构建后续所需数据集

◇ Case4：高通量GCMC计算结果的分析与可视化，提取结构-性能对应关系。

文献复现：复现经典文献的高通量筛选流程，讨论如何将结果作为AI模型的输入Large-scale screening of hypothetical metal–organic frameworks. Nature Chem 2012, 4, 83–89

DOI: 10.1038/nchem.1192

第三部分

传统机器学习与可解释AI在MOF中的应用

1. 理论部分

1.1. 机器学习在MOF中的QSAR/QSPR模型：结构-性质定量关系

1.2. 特征工程核心：化学描述符（比表面积、孔径等）的物理意义

1.3. 算法深度解析：随机森林（RF）、XGBoost、SVM在吸附预测中的优劣

1.4. 可解释AI前沿：SHAP、SISSO 在挖掘物理机制与发现设计规则中的应用

案例实践3：

◇ Case 1：Python实现XGBoost、SVM、RF模型预测MOF气体吸附分离性质

◇ Case 2：使用贝叶斯优化算法进行参数调优与特征选择

◇ Case 3：基于独立筛选和稀疏算子 (SISSO) 算法从高维特征空间中学习简洁且可解释的物理公式

◇ Case 4：可视化结果：AUC曲线、误差散点图、蜜蜂群图

◇ Case 5：预测未知MOF的吸附性质，验证模型泛化能力

文献复现：Robust Machine Learning Models for Predicting High CO2 Working Capacity and CO2/H2 Selectivity of Gas Adsorption in Metal Organic Frameworks for Precombustion Carbon Capture J. Phys. Chem. C 2019, 123, 7, 4133–4139

DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b10644

第四部分

图神经网络（GNN）与MOF结构-性能建模

1. 理论部分

1.1. GNN基础：如何将晶体结构表示为图—节点、边与全局状态的化学信息编码

1.2. 主流GNN模型：CGCNN、MEGNet消息传递机制及在MOF建模中的优势

1.3. 节点/边特征构建：化学键、配位环境、拓扑连通性的编码策略

1.4. GNN的可解释性：如何理解GNN“看到”的化学信息

案例实践4：

◇ Case 1：使用Pymatgen将MOF晶体结构转换为图神经网络所需的张量数据

◇ Case 2：训练CGCNN或MEGNet模型，预测MOF的吸附性能，并与传统ML对比

◇ Case 3：GNN可视化：使用t-SNE或主成分分析模型学习到的结构表征

◇ Case 4：利用训练好的GNN模型，对虚拟MOF数据库（如hMOF）进行快速性能筛选与候选材料推荐

文献复现：Hydrogen storage metal-organic framework classification models based on crystal graph convolutional neural networks, Chemical Engineering Science 2022, 259, 117813.

DOI: 10.1016/j.ces.2022.117813