金属有机框架材料（MOFs）十年巅峰性能综述（2014-2024）

作者及机构

本文由Ri Peng（南京工业大学材料化学工程国家重点实验室）、Yuxin Xie（南京工业大学）、Shuai Yuan（南京大学配位化学国家重点实验室）、Ruwei Shen（南京工业大学）和Dunru Zhu（南京工业大学/南京大学）共同撰写，发表于Acta Physico-Chimica Sinica期刊，2025年11月26日在线发布。

研究背景与目标

金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）作为21世纪明星多孔材料，因高比表面积、可调控的纳米孔隙及多样拓扑结构，在气体吸附、分离、催化等领域取得突破性进展。2025年诺贝尔化学奖授予MOFs领域的先驱Kitagawa、Robson和Yaghi，标志着该领域的成熟。然而，自Yaghi团队2013年总结MOFs性能上限后，新材料和新记录不断涌现。本文首次系统梳理2014-2024年间MOFs在性能极限（如比表面积、热稳定性、气体吸附容量等）的突破，并展望其在大气集水（Atmospheric Water Harvesting, AWH）、病原体检测和海水提铀（Uranium Extraction from Seawater, UES）等新兴领域的应用。

MOFs性能极限突破

1. 最大比表面积与超低密度

• NU-1501-Al：Farha团队2020年报道的铝基MOF，以三蝶烯配体（H6PET-2）构建，BET比表面积达7310 m²/g（迄今最高），同时实现高体积比表面积（2060 m²/cm³）。其甲烷（0.54 g/g）和氢气（2.9 wt%）吸附容量均超越美国能源部（DOE）2025年目标。

• NU-1301：含铀超结构MOF，单元胞体积达520万ų，密度仅0.124 g/cm³（含重金属仍创纪录），孔隙率接近理论极限。

2. 最大笼尺寸与化学稳定性

• MOF-939：Deng团队通过“等网状扩展”策略构建，笼直径达11.4 nm，可提取长链核酸。

• Cr-BTEC-TPT：Bu和Feng团队开发的酸碱双稳MOF，在pH=-1.1~15范围内稳定，刷新化学稳定性纪录，归因于Cr³⁰⁺的配体场稳定能及孔隙分区效应。

3. 气体吸附性能

• 氢气存储：

  • [Ni₂(4,6-m-DOT)]：Long团队设计，298K/100 bar下体积储氢密度11.9 g/L，依托开放金属位点（OMS）增强极化作用。

  • NPF-200：77K下可变压工作容量达37.2 g/L，兼顾重量与体积性能。

• 甲烷存储：

  • [Co(BDP)]：柔性MOF通过“呼吸效应”在65 bar下实现197 cm³/cm³可用容量，优于刚性材料。

• 氨气捕获：

  • LiCl@MIL-53-(OH)₂：Wang团队复合MOF，在1 bar/298K下吸附量达0.58 g/g，可逆循环15次，适用于低浓度NH₃分离。

• CO₂捕获与分离：

  • CPM-231：Bu团队开发的PACS拓扑MOF，0°C/1 bar下CO₂吸附量45.6 wt%，吸附热仅20.4 kJ/mol，能耗极低。

  • Cu-F-PYMO-a：通过分子筛效应实现CO₂/C₂H₂选择性>10⁵，纯度>99.9%。

4. 质子传导

• H₂SO₄@MIL-101-SO₃H：-40°C下质子电导率9.2×10⁻³ S/cm，70°C/90% RH下达1.82 S/cm，源于-SO₃H、游离酸和配位水的协同作用。

• LiCl@UiO-66-F₂-(SO₃H)₂：提出“电荷层介导质子传导”新机制，90°C/90% RH下电导率2.86 S/cm，创MOFs纪录。

新兴应用领域

1. 大气集水（AWH）

• MOF-801（Yaghi团队）：在20% RH沙漠环境中日集水量2.8 L/kg，无需外部能源。

• Cr-SOC-MOF-1：70% RH下吸水率195%，100次循环后性能无损，适用于低湿度环境。

2. 病原体检测

• 2D CoZn-MOF（Zhu和Shan团队）：基于电化学发光（ECL）技术检测SARS-CoV-2病毒，检测限低至3×10⁻¹⁷ mol/L，灵敏度超越非扩增方法。

3. 海水提铀（UES）

• ZIF-67：Wang团队报道的钴基MOF，吸附容量达1638.8 mg/g（模拟海水），但机制存疑。

• I-MZIF-90(50)：Ghosh团队开发的离子-大孔MOF，天然海水中25天吸附量28.2 mg/g，满足商业化需求。

未来展望

1. 混合组分MOFs：通过网状化学设计，整合单组分MOFs优势，实现协同性能。

2. 人工智能辅助设计：加速定制化MOFs开发。

3. 反MOFs策略：以带负电节点和正电连接体构建新型非MOFs多孔材料，开辟新研究方向。

科学价值

本文不仅总结了MOFs的十年性能巅峰，更为下一代高性能MOFs设计提供路线图，推动其在能源、环境、医疗等领域的实际应用。其亮点在于：

• 系统性梳理MOFs性能极限与突破机制；

• 首次将AWH、病原体检测、UES等新兴应用纳入综述；

• 提出“电荷层质子传导”等新理论，拓展材料设计思路。

（全文约2000字）