多孔晶体是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的晶体材料,是多孔材料的重要分支。由于多孔晶体在气体存储、催化、能量转换、能量存储、光电学、气体分离、超疏水界面等领域的广泛应用,在过去的十多年里,人们对多孔晶体领域的兴趣大增,一些新型的多孔晶体也在不断引起人们的关注。如,金属有机骨架,共价有机骨架,多孔共轭骨架,微孔分子晶体等。计算模拟是研究这类材料的一种重要手段,通过计算模拟能够设计多孔结构,模拟气体在多孔材料中的吸附行为,对结构进行筛选等。与快速发展的实验工作相比,计算模拟研究相对滞后,主要表现在缺乏合适力场而导致的精度降低。在此,我们通过多尺度理论模拟,设计多孔晶体并对多孔晶体的气体吸附性能进行研究:1.以近期合成的1,4-二亚苯基-2,5-二噻吩环为基础,我们设计了一系列纳米多孔分子晶体（CPTs）,采用基于色散矫正的双杂化密度泛函理论的派生力场,通过巨正则蒙特卡洛模拟了其吸附性能。采用足够多的准确的参考态数据产生力场,证实了模拟的准确性。结果显示,CPTs可调的孔径使它们非常适合CO和H₂的存储,非常有趣的是,在一定条件下,也是潜在的H₂净化候选材料。多尺度模拟给CPTs在气体存储和净化方面的应用提供了理论依据。2.设计了一系列新型镁-卟啉基类金刚石结构多孔有机骨架,命名为POF-Mgs,采用基于第一性原理的派生力场,通过巨正则蒙特卡洛模拟了CO₂、H₂、N₂和H₂O气体在POF-Mgs中的吸附。第一性原理计算中,采用色散校正的双杂化密度泛函B2PLYPD3描述骨架和气体之间的相互作用。拟合得到的力场和第一性原理能量数据吻合良好,证实了力场的可靠性。结果表明,在适当的条件下,[1,2]POF-Mgs是纯化氢气的潜在候选材料。此外,我们的模拟表明,少量水的存在（≤0.01 kPa）对CO₂的吸附没有太大的影响,但当H₂O的分压较高时（≥0.1 kPa）会导致CO₂吸附量显著降低。3.在实验上制备的金属有机骨架PCN-600（Co）中,分别用卤素取代其苯环及卟啉上的氢原子,通过巨正则蒙特卡洛模拟这一系列孔材料对气体（CO₂、SO₂、CH₄、CO、H₂和N₂）的吸附。结果显示,卤素取代后的结构对SO₂和CO₂的吸附量均有非常明显的提高,对CH₄,CO,N₂和H₂的吸附量反而降低,这表明卤素取代后的孔材料在气体分离方面具有潜在的应用。之后进行的选择性探究表明,PCN-Co-F-F在气体存储和分离方面都有很大的潜力,尤其在氢气纯化方面。