化学学报 ›› 2026, Vol. 84 ›› Issue (3): 305-315.DOI: 10.6023/A25110385 上一篇 下一篇
研究论文
彭天资a,†, 沈嘉克a,†, 郭淑雅c, 夏潇潇d,*(
), 李炜a,b,*(
)
投稿日期:2025-11-27
发布日期:2026-02-02
通讯作者:
夏潇潇, 李炜
基金资助:
Peng Tianzia, Shen Jiakea, Guo Shuyac, Xia Xiaoxiaod,*(
), Li Weia,b,*(
)
Received:2025-11-27
Published:2026-02-02
Contact:
Xia Xiaoxiao, Li Wei
About author:† These authors contributed equally to this work.
Supported by:文章分享
气体分子在金属(Metal-organic Frameworks, MOFs)/共价(Covalent-organic Frameworks, COFs)有机骨架材料内的扩散系数是重要的物化性质, 显著影响其在气体存储与分离、化学催化等应用中的性能. 分子动力学模拟是分析扩散系数的主要手段之一. 随着新型纳米多孔材料种类的高速增长, 机器学习辅助分子动力学模拟预测扩散系数策略备受关注. 但机器学习也面临着不同数据库及各类气体分子存在差异导致泛化预测精度受限的问题, 尤其是各类材料数据库发展显著失衡, 迁移学习能有效解决此问题, 提升泛化预测性能. 本研究通过分子动力学模拟预测8种气体分子(H2、CH4、H2S、CO2、N2、C2H6、C3H8、C4H10)在MOFs骨架内的自扩散系数, 通过集成和神经网络两类算法进行迁移学习预测COFs内扩散系数, 发现轻量梯度提升树模型迁移后预测精度最高, 且气体的动力学直径、极化率和结构的受限孔直径是重要的描述符. 本工作证明了迁移学习在多类数据库中辅助预测扩散系数的可行性, 为新型纳米多孔材料的泛化学习提供了新的策略.
彭天资, 沈嘉克, 郭淑雅, 夏潇潇, 李炜. 迁移学习预测金属/共价有机骨架材料内小分子气体自扩散系数研究[J]. 化学学报, 2026, 84(3): 305-315.
Peng Tianzi, Shen Jiake, Guo Shuya, Xia Xiaoxiao, Li Wei. Transfer Learning Predicted the Self-Diffusion Coefficients of Light-Gas in Metal/Covalent Organic Frameworks[J]. Acta Chimica Sinica, 2026, 84(3): 305-315.
| Descriptors | Abbreviations | Units |
|---|---|---|
| Largest Cavity Diameter | LCD | nm |
| Pore Limiting Diameter | PLD | nm |
| Largest Free Path Diameter | LFPD | nm |
| Framework Density | ρ | g•cm−3 |
| Unit Cell Volume | PV(1) | nm3 |
| Porosity | PV(2) | — |
| Pore Volume per Unit Mass | PV(3) | cm3•g−1 |
| Kinetic Diameter | Dia | nm |
| Polarizability | Pol | nm3 |
| Quadrupole Moment | Qua | C•m2 |
| Dipole Moment | Dip | D |
| Descriptors | Abbreviations | Units |
|---|---|---|
| Largest Cavity Diameter | LCD | nm |
| Pore Limiting Diameter | PLD | nm |
| Largest Free Path Diameter | LFPD | nm |
| Framework Density | ρ | g•cm−3 |
| Unit Cell Volume | PV(1) | nm3 |
| Porosity | PV(2) | — |
| Pore Volume per Unit Mass | PV(3) | cm3•g−1 |
| Kinetic Diameter | Dia | nm |
| Polarizability | Pol | nm3 |
| Quadrupole Moment | Qua | C•m2 |
| Dipole Moment | Dip | D |
| Model | MOFs | COFs | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| R2 | SRCC | MSE | R2 | SRCC | MSE | ||
| RF | 0.806 | 0.855 | 0.051 | 0.716 | 0.805 | 0.091 | |
| XGBR | 0.813 | 0.862 | 0.049 | 0.666 | 0.785 | 0.108 | |
| LGBM | 0.817 | 0.863 | 0.048 | 0.683 | 0.792 | 0.102 | |
| DNN | 0.792 | 0.841 | 0.054 | 0.669 | 0.786 | 0.107 | |
| Model | MOFs | COFs | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| R2 | SRCC | MSE | R2 | SRCC | MSE | ||
| RF | 0.806 | 0.855 | 0.051 | 0.716 | 0.805 | 0.091 | |
| XGBR | 0.813 | 0.862 | 0.049 | 0.666 | 0.785 | 0.108 | |
| LGBM | 0.817 | 0.863 | 0.048 | 0.683 | 0.792 | 0.102 | |
| DNN | 0.792 | 0.841 | 0.054 | 0.669 | 0.786 | 0.107 | |
| Learning Way | Model | COFs | ||
|---|---|---|---|---|
| R2 | SRCC | MSE | ||
| Direct Learning | RF | 0.809 | 0.852 | 0.063 |
| XGBR | 0.826 | 0.866 | 0.057 | |
| LGBM | 0.827 | 0.866 | 0.057 | |
| DNN | 0.781 | 0.841 | 0.072 | |
| Transfer Learning | RF | 0.775 | 0.822 | 0.071 |
| XGBR | 0.791 | 0.833 | 0.068 | |
| LGBM | 0.803 | 0.842 | 0.064 | |
| DNN_1 | 0.771 | 0.826 | 0.074 | |
| DNN_2 | 0.753 | 0.819 | 0.080 | |
| DNN_3 | 0.760 | 0.830 | 0.078 | |
| Learning Way | Model | COFs | ||
|---|---|---|---|---|
| R2 | SRCC | MSE | ||
| Direct Learning | RF | 0.809 | 0.852 | 0.063 |
| XGBR | 0.826 | 0.866 | 0.057 | |
| LGBM | 0.827 | 0.866 | 0.057 | |
| DNN | 0.781 | 0.841 | 0.072 | |
| Transfer Learning | RF | 0.775 | 0.822 | 0.071 |
| XGBR | 0.791 | 0.833 | 0.068 | |
| LGBM | 0.803 | 0.842 | 0.064 | |
| DNN_1 | 0.771 | 0.826 | 0.074 | |
| DNN_2 | 0.753 | 0.819 | 0.080 | |
| DNN_3 | 0.760 | 0.830 | 0.078 | |
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