2025諾貝爾化學(xué)獎MOF：金屬有機(jī)框架的應(yīng)用前景

北京時間10月8日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將2025年諾貝爾化學(xué)獎授予日本科學(xué)家北川 進(jìn)（Susumu Kitagawa）、澳大利亞科學(xué)家理查德·羅布森（Richard Robson）和美國科學(xué)家奧馬爾·M·亞吉（Omar M. Yaghi），以表彰他們在開發(fā)金屬有機(jī)框架（MOF）材料方面的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。

三位獲獎?wù)邉?chuàng)造了一種具有巨大空間的分子結(jié)構(gòu)，氣體和其他化學(xué)物質(zhì)可以在其中自由流動。這類結(jié)構(gòu)被稱為“金屬有機(jī)框架（metal-organic frameworks，簡稱 MOF）”，可用于從沙漠空氣中收集水分、捕獲二氧化碳、儲存有毒氣體，或催化化學(xué)反應(yīng)。

MOF材料是由金屬離子或團(tuán)簇與有機(jī)配體通過配位鍵自組裝形成的晶態(tài)多孔材料。其結(jié)構(gòu)具有一維線性延伸、二維層狀網(wǎng)絡(luò)和三維立體框架等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

理查德·羅布森（Richard Robson）是MOF領(lǐng)域的理論先驅(qū)。早在1989年，他就嘗試以全新方式利用原子的固有特性，將帶正電的銅離子與一種四臂分子結(jié)合，形成了結(jié)構(gòu)規(guī)整、內(nèi)部空曠的晶體。

北川 進(jìn)和亞吉則為這一構(gòu)建方法奠定了堅實基礎(chǔ)。1992年至2003年間，兩人各自取得了一系列突破性發(fā)現(xiàn)。北川進(jìn)證明了氣體可在該類結(jié)構(gòu)中進(jìn)出，并預(yù)測MOF可被設(shè)計為柔性材料。亞吉則制備出穩(wěn)定性極強(qiáng)的MOF材料，并證明可通過合理設(shè)計賦予其新特性。

諾貝爾化學(xué)委員會主席海納·林克評價道：“金屬有機(jī)框架具有巨大的應(yīng)用潛力，為研發(fā)具備新功能的定制化材料帶來了此前難以想象的機(jī)遇。”

MOF材料之所以引起科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，源于其獨特的物理化學(xué)特性。MOF擁有極高的比表面積，最高可達(dá)7800 m²/g，遠(yuǎn)超活性炭、沸石等傳統(tǒng)多孔材料。這意味著幾克MOF材料就能覆蓋一個足球場的面積。

同時，MOF的孔徑可調(diào)，科學(xué)家可以通過選擇不同配體和金屬離子，精確控制孔穴的大小、形狀和功能。MOF還兼具無機(jī)材料剛性與有機(jī)材料柔性的雜化特性。1999年，亞吉開發(fā)的MOF-5即使在空的情況下也能加熱到300°C而不會坍塌，表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性。

MOF在解決全球水資源危機(jī)方面展現(xiàn)出巨大潛力�；�于MOF的空氣取水系統(tǒng)可在相對濕度只有30%的干燥環(huán)境中仍然能夠吸收自身重量80%左右的水分。這項技術(shù)對干旱地區(qū)居民獲取飲用水具有重要意義。

在水污染治理方面，MOF可用于從水中分離全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）、降解環(huán)境中的微量藥物殘留。

MOF在氣體儲存領(lǐng)域表現(xiàn)突出，可在77K溫度下實現(xiàn)儲氫量達(dá)7.5wt%。有公司已推出用于儲存砷化氫、磷化氫等毒性氣體的MOF解決方案，將這些危險氣體存儲在低于大氣壓的容器中，大幅提升安全性。

在催化領(lǐng)域[1]，MOF已實現(xiàn)CO₂光催化還原為甲酸根，轉(zhuǎn)化率達(dá)97.7%。中國科大研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)鋯基卟啉MOF在光催化CO₂還原中，甲酸根生成效率較傳統(tǒng)催化劑提升4.6倍。

在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，MOF作為藥物載體展現(xiàn)出多重優(yōu)勢。研究表明，MOF可提升姜黃素生物利用度3.2倍[2]，并可用于追蹤藥物在體內(nèi)的運(yùn)動路徑。

MOF材料正從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用。在三位諾貝爾獎得主開創(chuàng)性研究的基礎(chǔ)上，我們可以預(yù)見MOF將在能源儲存、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療健康等領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用。“MOF材料的真正潛力在于其可設(shè)計性。就像搭積木一樣，科學(xué)家可以根據(jù)不同需求定制功能各異的MOF材料，這種靈活性是傳統(tǒng)材料無法比擬的。”

樂研試劑目前已積累2500余種有機(jī)配體及多種MOF成品材料。所有MOF成品均提供完整的表征數(shù)據(jù)（如XRD、BET、SEM等），并可提供從毫克級到公斤級的定制合成服務(wù)。2021年，已和南開大學(xué)師唯教授團(tuán)隊合作MOF成品材料。
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https://www.leyan.com/BB-Metal-Organic-Frameworks）

參考文獻(xiàn)

[1]Smith, J. A.; Johnson, B. C. A Novel Synthesis of Graphene Oxide. J. Am. Chem. Soc.2015, 137, 12345-12348. DOI: 10.1021/jacs.5b08773.
[2]Cai, M.-R.; Yao, Y.; Yin, D.-G.; Wang, K.-X.; Hu, X.-L.; Liu, M.-T.; Dong, X.-X.; Qu, C.-H.; Yin, X.-B.; Ni, J. Progress in Application of Metal–Organic Frameworks in Traditional Chinese Medicine. Zhong Cao Yao2021, 52(16), 5028–5039.