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北京航空航天大学刘宇宙课题组依托北航化学学院长期聚焦化学材料领域的前沿交叉研究，以分子设计与性能调控为核心，形成了笼子化学与高性能有机硅两大特色研究方向。同时依托取得的技术成果，刘宇宙教授还致力于将化学与AI结合，助力新材料的研发。课题组始终秉持 “基础研究引领技术突破” 的理念，在分子结构设计、材料性能优化及产业化应用探索等方面取得了一系列具有影响力的成果，相关研究发表于Science、Nature Communications、Advanced Science、Angew. Chem. Int. Ed. 等国际顶级期刊，授权国内外专利 20 余项，为相关领域的发展提供了重要的理论支撑与技术参考。
自主开发的Yun蕴算平台网站（https://aiyun.syntelligence.cn/），以深度学习为核心，结合材料科学底层理论（密度泛函理论 DFT、第一性原理），依托海量高精度化学数据训练，全自动精准实现（多步）过渡态搜索、新分子生成、高通量探索、反应及催化剂筛选、合成路径优化、分子性质预测等功能。平台全面覆盖多种计算方法，如第一性原理（First Principles）、密度泛函理论（DFT）、分子动力学（AIMD）等，并可根据反应物结构、体系、类型及计算精度要求动态选择最佳方法和最优参数；已攻克键能分析、多步过渡态搜索等行业难题，活化能预测标准差 0.76 kcal/mol、反应路径预测准确率可达 95%，达化学实验级标准。全程浏览器界面操作，过程直观、快速便捷，报告直接生成。
聚焦笼状分子及多孔框架的精准构建、结构调控及其在催化（氢析出、硅氢化、小分子合成）、能源（制氢）、生物医药（光动力治疗）等领域的应用，通过拓扑约束、分子自组装等策略，实现了笼状材料从设计合成到功能应用的全链条研究。
1.笼基单原子/纳米催化剂开发：利用笼状碳材料的缺陷位点、笼状前驱体或有机笼的限域效应，制备负载铱、锰、铂、钴、铁等金属的单原子/纳米催化剂，解决传统催化剂金属团聚、活性衰减、选择性低等问题。
COP1-T-Pt 是一种以多孔笼状配体 COP1-T 为受限微环境、内部负载 4 个单原子 Pt 为活性中心的仿生催化剂，对硅氢化反应具有超高空时产率（TOF 达 78000 h⁻¹，是 Karstedt 催化剂的 12 倍）、优异的尺寸 / 位点选择性（可区分微小空间位阻差异，保护醛基、环氧基等官能团）和循环稳定性（至少循环 5 次活性损失 < 10%），且符合米氏动力学，适用于多种多官能团底物，为高价值硅基材料合成提供高效路径。
PBN-Ir 催化剂是一种以多孔二维碳材料（PBN）为载体、碳配位单原子 Ir 为活性中心的高效析氢反应（HER）催化剂，在 0.5 M H₂SO₄中仅需 17 mV 过电位即可达到 10 mA/cm² 电流密度，兼具 51.6 A/mg_Ir 的超高质量活性与 170.61 s⁻¹ 的高周转频率，且在强酸体系中稳定性优异，原子利用率远超商用 Pt/C 和 Ir/C 催化剂。
2. 笼状材料功能化应用：开发笼状修饰光敏剂用于耐药念珠菌光动力治疗，拓展笼状材料在生物医药领域的应用。
COP1T-HA 是多孔笼状化合物 COP1T 通过酯化连接光敏剂竹红菌素 A（HA）并修饰 PEG2000 形成的纳米系统，适用于多重耐药念珠菌（含 “超级真菌” 耳念珠菌）及生物膜的光动力抗菌治疗（aPDT），其水溶性良好且吸收红移至 620nm 光热诊疗窗口，470nm 激光照射下可高效产生活性氧（ROS）诱导真菌凋亡，抗真菌活性是游离 HA 的 6.16 倍、生物膜清除活性达 2.56 倍，且生物相容性优异、能促进感染伤口愈合。
1.Supramolecular Archimedean Cages Assembled with 72 Hydrogen Bonds | Science
9. Frontiers | Carbon Material With Ordered Sub-Nanometer Hole Defects
以聚硅氧烷的结构创新（环状、超支化、螺环）与性能优化为核心，突破传统材料在分子量调控、金属残留、热稳定性等方面的瓶颈，开发 LED 封装、耐高温弹性体、透明热固性材料等专用有机硅，推动产业化应用。
1. 精准合成技术：通过有机催化 zwitterionic 聚合、Piers-Rubinsztajn 反应、开环聚合等方法，实现高摩尔质量环状、超支化聚硅氧烷的精准制备，解决传统金属催化残留问题，分子量分散度低至 1.15。
2. 功能材料开发：将环四硅氧烷、螺环硅氧烷、笼状倍半硅氧烷（POSS）引入聚硅氧烷主链 / 侧链，赋予材料高透光率（≥98%）、耐高温（260℃下稳定 15 小时）、高机械强度等性能，适配 LED 封装、电子绝缘、航空航天部件防护等场景。
3. 产业化技术：攻克无金属残留有机硅弹性体、透明热固性材料的规模化制备难题，开发专用螺环交联剂与 POSS 基改性剂，建立从实验室合成到中试生产的技术转化体系。
4.通过 Piers–Rubinsztajn 反应合成了具有双级反应活性（双级环应变能）的螺环硅氧烷，解决了不同环单体反应性不匹配导致的相分离问题，可与环硅氧烷、碳酸酯、酰胺等多种单环分子交联，一步制备出高透明热固性弹性体，且产物具有高热稳定性、无金属残留等优势，为功能材料、医用材料等领域提供了模块化制备新路径。
课题组依托北航化学学院平台优势，拥有GC-MS、气相色谱、液相色谱、红外，紫外等先进表征设备，实验场地面积超100㎡，为研究提供坚实硬件支撑。
团队现有核心成员 6 人，其中教授 1 人（刘宇宙）博士研究生 2 人，硕士生3人 承担国家级青年人才项目、国家自然科学基金面上项目、校企联合实验室等课题，科研经费充足。与美国纽约大学、清华大学、中国人民大学保持密切合。
未来，课题组将持续深耕笼子化学与高性能有机硅两大方向，重点拓展“笼状材料-新能源催化”“功能有机硅-柔性电子”“笼状分子-生物医药” 三大交叉领域，致力于打造具有国际影响力的化学材料研究团队.
