中国粉体网讯 近年来，金属有机框架(metalorganic framework，MOF)材料作为一类新兴的晶态多孔材料脱颖而出，受到广泛的关注。相较于沸石和活性炭等传统多孔材料，MOF材料是由金属离子或簇与有机配体通过配位键自组装而成的晶态多孔材料。这种独特的构建方式使其结构高度有序且易于剪裁，进而展现出丰富多样的性质和功能。
1995年，奥马尔·亚吉等人首次将其构筑并报道的多孔配位聚合物命名为“金属-有机框架”(MOF)，并提出选取结构对称和功能性的构筑单元与金属离子配位的构筑策略，为该类材料的定向构筑提供了指导。
北京时间10月8日，奥马尔·亚吉、北川进、理查德·罗布森三位科学家因在金属有机框架材料的开发方面作出的贡献而荣获2025年诺贝尔化学奖。早在三四十年前，当这些科学家构建出这类新材料时，它们脆弱、易分解，被认为“没用”，功能也很有限，但却代表了一种全新的分子设计思维。在过去三十年中，MOF领域的研究呈爆发式增长。一些科学家认为，MOF潜力巨大，有望成为“21世纪的材料”。
MOF材料的制备
溶剂热法是合成MOF最为有效和普遍采用的方法之一，允许根据所需的物理化学特性和应用功能定制设计MOF材料。通过精细调控反应物、溶剂、温度、pH和反应时间等参数，可以有效地调节MOF材料的结构、形态、性能、产率和合成成本。
水热/溶剂热法制备MOF的一般流程示意图
然而，合成后MOF材料孔隙中通常会残留大量溶剂客体分子，通常需要通过溶剂交换和有效的活化过程来去除这些溶剂，以获得稳定的孔隙结构。溶剂热法通常需要较长的反应时间(数天)，并且伴随着高温和高压的过程，合成成本较高，且大规模生产的安全性较差，不利于MOF材料的绿色合成。
机械合成法被认为是一种极具潜力的绿色合成方法。通过球磨机等设备，利用机械能进行MOF材料的化学合成，可以使反应在室温下进行，同时减少反应所需的溶剂或完全避免使用溶剂，并且显著缩短反应时间(5~60 min)，从而大幅降低MOF材料的合成成本。然而，该方法可能在控制某些MOF晶体的形态和尺寸方面存在挑战，且有时得到的晶体质量和孔隙率不尽如人意。
声化学合成和微波辅助合成法也可在室温下提高合成效率，但可能破坏晶体结构并限制大晶体形成，且难以实现大规模均匀生产。此外，通过电化学法、溶胶-凝胶法、喷雾干燥法、加速老化法等新兴的方法，也有望实现MOF材料的绿色合成。
近年来，凭借多样化的合成技术，在实验室的小型规模(即几克量级)上成功制备了众多潜力巨大的MOF材料。但MOF材料的中试规模生产深受多种参数的影响，诸如反应物种类、溶剂选择、反应类型、反应器的几何构型、混合的类型与速率、质量控制以及热传递效率等。这些关键参数共同作用于工业化潜力的挖掘。事实上，只有极少数企业报告了用于商业目的的大规模(>公斤规模)的MOF生产，例如德国BASF、美国Framergy、英国Nuada等。
从实际应用角度来看，MOF材料在工业关键反应进程里所涉及的成本、稳定性以及导电性等关键科学问题亟待攻克。大规模且高产率合成低成本MOF材料的有效方法目前仍未臻完善、尚在探索。
另外，MOF材料的结构和性质表征对于理解其功能和优化其性能至关重要。大科学装置，如先进光源、先进中子源、核磁共振仪和电子显微镜等，提供了先进实验技术和方法，深入探究MOF微观结构、性质及其功能之间的关系，为实现功能导向MOF材料的合理设计和可控制备提供理论基础，推动相关学科的交叉融合与发展。
MOF材料的应用
吸附与分离领域
随着全球对清洁能源和环保需求的增长，开发高效的气体储存、捕获和分离技术变得尤为重要。与传统多孔材料(如多孔碳、沸石)相比，MOF材料具有结构可调、超高比表面积和孔隙度等优点。这些特性使MOF材料在气体存储和分离领域具有显著优势，例如在关键能源气体(如H2、CH4、C2H2、NH3)的储存、温室气体及有毒气体(包括CO2、CS2、NOx、CO)的捕获，以及工业化学品(如乙烯和丙烯)等高效吸附与分离等方面。
MOF材料在吸附分离领域中的应用
水处理领域
工业生产中，未经处理的工业废水的排放造成了大量水体的严重污染，成为人类社会亟待解决的环境问题。MOF材料凭借其高度可控的孔隙结构、高吸附能力、大比表面积等优势，广泛应用于水处理领域。由于多数MOF材料在水中不稳定，易分解，因此，水稳定的MOF材料将是水处理领域的研究重点。
荧光传感领域
发光MOF材料在荧光传感领域有许多独特的优势：由于MOF材料的发光特性对于框架结构、离子配位环境、孔道的表面特性以及MOF材料与客体分子的相互作用，如氢键、范德华力、π-π相互作用等十分敏感，从而为MOF材料在荧光传感领域的应用提供了多种可能；MOF材料的多孔特性使分析物的吸附实现了预富集过程，增强了主-客体相互作用，提高了传感器的灵敏度；MOF材料的不同尺寸孔道结构可以有效筛选不同大小的分子，从而实现对分析物的高效选择或特异性检测。
过去十几年中，该领域取得了令人瞩目的研究成果，发光MOF已被广泛用于检测阴离子和阳离子、pH、温度、金属离子、污染物、氨基酸和其他小分子的检测。
质子传导领域
MOF材料凭借其卓越的高孔隙率、巨大的比表面积、可调控的结构、优异的化学稳定性以及多样的质子传导路径，为质子导电应用提供了独特的主-客体相互作用平台，因而被广泛视为下一代质子导电材料的有力竞争者。MOF材料不仅拥有丰富的质子传输通道，且其主-客体相互作用(如配体与质子载体分子或离子的作用)能够有效提升质子的迁移率。
此外，MOF在高湿度环境下表现出卓越的水稳定性，并具备高质子电导率和低成本的合成方法，这些优势为其在燃料电池、传感器和质子电器件等领域的应用提供了广阔的前景。
储能领域
MOF材料良好的电热稳定性和巨大的比表面积为提高电池能量密度和增加电池寿命提供了可能。此外，MOF材料具有高度可调的孔道结构，可选择性地允许特定离子通过，这对离子型电池的设计具有重要的借鉴。
近年来，固态电池凭借其高能量密度和安全性受到广泛的关注。固态电解质作为固态电池的核心，在很大程度上决定了固态电池的性能。近年来，基于MOF材料的固态电解质得到广泛的研究，MOF材料的多孔结构和大比表面积可为离子传输提供快速的通道和大量的反应位点。
此外，导电MOF材料（c-MOF）凭借其导电性高、孔径可调等优势，成为极具潜力的超级电容器电极材料。
催化领域
MOF材料独特的构建方式使其结构高度有序且易于剪裁，在催化领域备受关注。MOF基催化剂用于有机催化反应，其活性来源于MOF本身的催化活性位点和其所负载的催化活性纳米颗粒。
近年来，MOF材料在光催化领域得到广泛的研究，主要集中于光催化分解水制氢、光催化CO2还原、光催化有机物降解等。MOF的光催化活性来源于其类半导体特性，许多MOF具有明显的紫外-可见光吸收性。
生物医学领域
金属有机框架能够通过非共价浸润法将小分子药物包裹于孔隙之中，实现高效运载。同时，良好的框架结构设计具有可变性与表面可调性，使其有望成为生物大分子药物，尤其是蛋白质类药物的递送平台。
金属有机框架（MOF）在癌症治疗中的多种应用
MOF能够通过表面固定、共价交联、孔渗透、原位等多种方式与生物大分子药物形成复合物，进而将药物输送至细胞发挥作用，在癌症的化疗、光动力治疗、光热治疗、放射治疗、化学动力学治疗、饥饿治疗、免疫治疗等方面均有应用，并且在癌症诊断中，可用于生物标志物检测和成像诊断。
食品安全领域
MOF在食品安全监控、加工、保鲜、卫生和包装等多个方面展现出巨大的潜力，锆基MOF具有高孔隙率和良好的吸附性能，在食品安全监控方面，它能够有效富集和净化目标分析物，提高检测的灵敏度和准确性；铜基MOF利用抗菌性保鲜食品；锌基MOF因稳定性和安全性可用于食品包装材料。
在食品加工方面，在从植物提取物中分离黄酮类化合物时，镁基MOF能够利用其独特的孔道结构和表面性质，与黄酮类分子形成特定的相互作用，通过弱相互作用，如范德华力、氢键等结合，实现对目标成分的富集和分离，有助于提高食品加工中天然产物的利用价值。
参考来源：
[1]高明亮，薛天威，李江南，等：金属有机框架材料的合成、表征与性能.科学通报
[2]张泽宇，等：金属有机框架材料的制备及应用研究进展，精细化工
[3]杨玉洁，等：金属有机框架（MOF）应用的研究进展，长春理工大学学报
（中国粉体网编辑整理/平安）
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