Machine-Learning-Aided Computational Study of Covalent Organic Frameworks for Reversed C2H6/C2H4 Separation

选择性 吸附 共价键 分离(统计) 芯(光纤) 共价有机骨架 分子描述符 化学 工作(物理) 材料科学 计算机科学 有机化学 机器学习 热力学 立体化学 物理 复合材料 催化作用 数量结构-活动关系
作者
Xiaohao Cao,Zhengqing Zhang,Yanjing He,Wenjuan Xue,Hongliang Huang,Chongli Zhong
出处
期刊:Industrial & Engineering Chemistry Research [American Chemical Society]
卷期号:61 (30): 11116-11123 被引量:31
标识
DOI:10.1021/acs.iecr.2c01385
摘要

The efficient separation of ethane/ethene (C2H6/C2H4) is imperative yet challenging in industrial processes. We herein combine machine learning (ML) and molecular simulation to predict optimal covalent organic frameworks (COFs) for reversed C2H6/C2H4 separation before experimental efforts. Using molecular simulations, two out of 601 CoRE COFs were identified with excellent separation performance, and eight CoRE COFs exhibit high C2H6/C2H4 selectivity surpassing all of the reported values, although these COFs have a relatively low working capacity. As for ML, we found that the random forest (RF) algorithm displays the highest accuracy (R2 = 0.97) among the four different models, and the density (ρ) of COFs was identified as the key factor that influences the C2H6/C2H4 selectivity. Moreover, the 10 best hypothetical COFs (hCOFs) with excellent selectivity were further predicted. Ultimately, the competitive adsorption behaviors of guests in COF-303 were disclosed, and the adsorption selectivity of COF-303 was enhanced by introducing the fluorine group. Results of this work could provide molecular-level insights for future design and synthesis of novel COFs that can directly remove low-concentration ethane from the C2H4/C2H6 mixture.
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