MOF 材料科普｜一文看懂金属有机框架（Metal–Organic Frameworks）



MOF 是什么？

MOF（Metal–Organic Frameworks，金属有机框架）是由金属节点/簇（SBUs）与有机配体（linkers）通过强配位键周期性连接形成的晶态多孔材料。MOF 属于“构网化学（Reticular Chemistry）”范畴，可像“分子乐高”那样按图索骥地拼装出可预测的三维网架，因此具备可设计、可调孔径与超高比表面积等特征。学术界对其术语与层级（配位聚合物→配位网络→MOF）的权威定义可见 IUPAC 推荐与综述性论文。
De Gruyter Brill

yaghi.berkeley.edu


新近进展：2025 年诺贝尔化学奖已授予 Susumu Kitagawa、Richard Robson、Omar Yaghi，表彰其在 MOF 领域的开创性工作（稳定可调的超多孔骨架、面向碳捕集与空气取水等应用）。
Reuters

Financial Times


1. 为什么 MOF 值得关注？

超高孔隙与可编程结构：通过选择金属节点与有机配体，可“定制”孔径、功能位点与拓扑；部分 MOF 的 BET 比表面积>6000 m²/g（如 MOF-210、NU-100 等），远超多数传统多孔材料。
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功能可“按需加载”：节点（Lewis 酸位/不饱和配位位点）和配体（功能基团）可后修饰，赋予催化、吸附、分离、传感、电化学等多元功能。
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家族谱系清晰：形成了多条“明星家族”与可复用的构筑模块（SBU、拓扑库），便于规模化筛选与应用落地。
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2. 代表体系与“性格特征”

UiO-66（Zr-BDC）：以强 Zr–O 键著称，耐水/耐溶剂/热稳定性优异，是工程化研究最广的锆基 MOF 之一，常作气体分离、膜材料与水处理平台。
ScienceDirect


MIL-101(Cr)：超大孔体积与高比表面积（文献报道至 ~4100 m²/g，孔体积可达 ~2.0 cm³/g），利于大分子传质与吸附。
PMC


HKUST-1（Cu-BTC，MOF-199）：具有开放金属位，常用于气体吸附、催化与复合材料；但对湿气较敏感，工程应用需关注水稳定性。
pubs.rsc.org


ZIF-8（Zn-咪唑盐）：sodalite 拓扑、有机胺配体赋予优良的热稳定性与分子筛选性；其水稳定性与介质条件相关，可通过合成/后处理改良。
ScienceDirect

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NU-1000（Zr-MOF）：介孔级通道，节点可达位点暴露度高，便于负载纳米客体与单原子催化，常见于光/热/酸碱催化与选择性吸附研究。
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3. 能做什么？——从“储气”到“从空气中取水”

气体储存与分离：H₂/CH₄ 储存、CO₂ 捕集、烷烃/烯烃分离等；通过调控孔径/官能化/开放金属位提升选择性与容量。
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碳捕集与环境治理：以胺功能化或开放金属位增强 CO₂ 吸附；亦可用于去除水中污染物（如 PFAS、药物残留等）的研究与试点。
Financial Times

催化与电化学：路易斯酸/碱位点、金属簇与有机配体协同，可开展氧化/还原、光催化 CO₂ 还原、电催化析氢/氧还原等；NU-1000 等常作“平台骨架”。
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空气取水（AWH）：以 MOF-801（Zr-fumarate）、MOF-303（Al-PZDC） 为代表，已在沙漠实地演示仅靠昼夜温差/阳光即可产水，并有公斤级装置报道。
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Science

Science

4. 关键性能指标怎么看？

孔结构：孔径分布（微/介孔）、孔体积、拓扑；决定分子筛分窗口与扩散速率。
yaghi.berkeley.edu

比表面积（BET）：与容量上限关联；极端高孔材料（如 MOF-210、NU-100/PCN-610）实测 BET >6000 m²/g。
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稳定性：热/水/酸碱/配位竞争；Zr-MOF（UiO 系）在多种溶剂与水中表现突出，但强碱下仍可能解构，应用需匹配工况。
pubs.rsc.org


成型与可加工性：粉体压片、挤出蜂窝、混合基质膜（MMM）、涂覆/生长薄膜等，决定工业可用度。
PMC

5. 工程化落地的“坑”与对策

溶剂与成本：传统溶剂（如 DMF）成本与环保压力大，需开发水/醇相或微波/无溶剂/机械化学等绿色工艺。
PMC

水/杂质敏感：如 HKUST-1、部分 ZIF 在潮湿/含酸碱介质中耐久性受限；可选 Zr/Al 基骨架或进行疏水化/后处理增强。
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粉体到器件：需关注成型后孔隙损失与传质阻力；膜/单体器件（如 AWH 模块）已展示可行范例。
Science

6. MOF、COF 与沸石怎么区分？

MOF：金属节点 + 有机配体；键合多为配位键，可在较温和条件下合成，功能位点丰富。

COF：全有机共价键（B–O、C–N 等），化学稳定性强、密度更低，但金属位可接入性需另行设计。

沸石/分子筛：全无机（硅铝氧骨架），热/水/酸稳定性极佳，孔径窗口标准化、适合高温工况。三者各有场景，常互补使用。
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7. 入门选型速记（实用向）

工况潮湿、介质复杂：优先 UiO-66/NU-1000 等 Zr-MOF；再评估功能化需求。
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大分子/高通量吸附：考虑 MIL-101(Cr) 或介孔 Zr-MOF（如 NU-1000）。
PMC


轻质气体储存/分离：从高孔隙度与开放金属位出发，结合后修饰（胺化等）。
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空气取水/低品位热驱动：MOF-801 / MOF-303 为成熟范例（有实地与器件验证）。
Science


8. 进一步阅读（入门权威）

IUPAC 术语与分层（配位聚合物→配位网络→MOF）。
De Gruyter Brill

构网化学与 MOF 综述（Science 2013；开创性综述，入门首选）。
yaghi.berkeley.edu


工程/稳定性专题（UiO-66、MIL-101、ZIF-8 等家族评述与数据）。
pubs.rsc.org

PMC

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