南京工业大学朱敦如教授课题组综述:金属有机框架(2014–2024):追求卓越性能的十年

主要亮点

本文综述了近十年来金属有机框架（MOFs）的若干最优性能指标，包括最大比表面积、最大笼径、最低框架密度、最高的热稳定性和化学稳定性，以及MOFs材料在氢气和甲烷存储、氨气捕获、二氧化碳捕集与分离、乙烯/乙炔分离、质子导电等领域展现的最佳性能。同时概述了MOFs在大气集水、病原体检测、海水提铀等新兴领域的应用进展，并展望了其未来的三个发展方向。

研究背景

1995年，Yaghi首次提出MOFs概念，至今MOFs的研究已有30年，作为与石墨烯和钙钛矿齐名的明星材料，MOFs材料获得2025年诺贝尔化学奖。因具有很大的比表面积、可调控的孔道以及孔道的易功能化，MOFs材料在气体吸附、分离、催化、传感、质子导电、生物医药和环境保护等领域展现出巨大的应用潜力。作为最先进的人造晶态多孔材料，MOFs在过去十年间发展迅猛。2013年，Yaghi等人对MOFs的优异性能进行了综述，推动了该领域的快速发展。此后，MOFs的各项性能纪录不断被刷新，但尚未有文章进行较为全面的总结与归纳。为此，本综述旨在总结过去十年间MOFs的若干最优性能指标，这对于把握该领域的进一步发展方向具有重要意义。

核心内容

1.1  最大BET比表面积

2020年，Farha等人报道的MOF：NU-1501-Al具有最大的重量BET比表面积（7310 m² g⁻¹，图1a）。

图1  NU-1501-Al（a）、MOF-939（b）和MAF-stu-1（c）的结构。

1.2  最大笼径

2023年，邓等人构筑的3D MOF-939具有最大的笼径(11.4 nm, 图1b)。

1.3  最低框架密度

2017年，Farha团队报道的MOF：NU-1301具有最低的框架密度(0.124 g cm⁻³）。

1.4  最高的热稳定性和化学稳定性

2019年，黄等人制备的MOF：MAF-stu-1具有最高的热分解温度（680 °C, 图1c）。2024年，卜和冯等人构筑的MOF：Cr-btec-tpt，在pH = −1.1~15的强酸和强碱溶液中均能稳定存在2天，是化学稳定性最好的MOFs材料（图2）。

图2  超稳定MOF Cr-btec-tpt的结构（a）及其化学稳定性比较（b）。

2.1.1  氢气储存

2020年，陈等人发现MOF：NPF-200在77 K和5~100 bar压力范围具有37.2 g L⁻¹的氢气储量，这是最高的体积储氢工作容量。

2.1.2  甲烷存储

2020年，Farha等人制备的MOF：NU-1501-Al在100 bar和296 K下具有最高的重量甲烷存储容量(0.54 g g⁻¹)。2015年，Long等人报道的柔性MOF：[Co(bdp)]在室温下具有最高的可释放甲烷容量：155 cm³ cm⁻³ (35 bar)和197 cm³ cm⁻³ (65 bar)(图3)。

图3  柔性MOF [Co(bdp)]的结构（a）及其对CH₄的吸附（b）。

2.1.3  氨捕获

2022年，王等人制备的MOF：LiCl@MIL-53-(OH)₂-43.4在1 bar和室温下具有最高的重量（0.58 g g⁻¹）和体积（0.80 g cm⁻³）氨吸附容量(图4)。

图4  （a）LiCl@MIL-53-(OH)₂-43.4的制备及其选择性捕获氨气;（b）在1 bar和室温下的氨气吸附等温线;（c）15次吸附-脱附循环。

2.1.4  二氧化碳捕集与分离(CCS)

2016年，卜和冯等人构筑的MOF：CPM-231在1 bar和0 °C下具有最高的重量CO₂吸附容量（0.46 g g⁻¹, 图5）。

图5  CPM-231的结构（a）及其在1 bar和0 °C下对CO₂的吸附（b）。

2024年，Long等人报道的MOF: ZnH-MFU-4l在150 °C和1 bar下具有3.52 mmol g⁻¹的CO₂吸附量，这是高温下捕集CO₂最好的MOFs材料（图6）。

图6  ZnH-MFU-4l的结构（a）及其在不同温度下对CO₂的吸附（b）。

2.1.5  乙烯/乙炔分离

2023年，李等人构筑的MOF：ZJU-300a在室温及0.01 bar下具有最高的C₂H₂吸附量(3.23 mmol g⁻¹)，并对C₂H₂/C₂H₄混合气(v/v, 1/99)表现出高达1672的IAST选择分离比（图7）。

图7  ZJU-300的结构（a）及其孔腔内C₂H₂的结合位点（b）。

2023年，何等人构筑的MOF：LiCl@UiO-66-F₂(SO₃H)₂在90% RH和90 °C下具有最高的质子电导率（2.86 S cm⁻¹）。作者还提出了一个新的质子导电机理：带电层介导质子导电(CLMPC)机制(图8)。

图8  （a）LiCl@UiO-66-F₂-(SO₃H)₂的结构;（b）CLMPC机理;（c）90% RH下，LiCl@UiO-66-F₂-(SO₃H)₂的变温Nyquist图;（d）90% RH下高质子导电材料的比较。

3.1  大气集水(AWH)

MOFs材料已成为沙漠环境中极具前景的AWH吸附剂。2018年，Eddaoudi等人制备的MOF：Cr-soc-MOF-1在70% RH和室温下具有最高的重量水吸附容量（1.95 g g⁻¹，195%）（图9）。

图9  Cr-soc-MOF-1的结构（a）及其在室温下对水的吸附（b）和性能最佳的水吸附材料比较（c）。

3.2  病原体检测

2022年，朱和单等人构筑的异金属卟啉基2D MOF: [(ZnTCPP)Co₂(MeIm)]是优异的电致化学发光(ECL)生物传感器，可用于快速检测新冠病毒（SARS-CoV-2），其检测限为3 × 10⁻¹⁷ mol L⁻¹，是非扩增ECL检测的最低检测限（图10）。

图10  MOF [(ZnTCPP)Co₂(MeIm)]的电致化学发光检测新冠病毒。

3.3  海水提铀(UES)

2022年，Ghosh等人合成的MOF：i-MZIF-90(50)在真实海水中仅需25天即可实现28.2 mg g⁻¹的创纪录铀吸附量（图11）。

图11  i-MZIF-90(50)的结构（a）及其对海水中(UO₂)²⁺的吸附（b）。

结论与展望

过去的十年是MOFs材料发展的"黄金时代"，本文概述了MOFs的一些独特性能，包括最大的BET比表面积、最大的笼、最低的框架密度、最高的热稳定性与化学稳定性，以及MOFs材料在氢气和甲烷存储、氨气捕获、二氧化碳捕集与分离、乙炔/乙烯分离、质子导电等领域展现的最佳性能。同时总结了MOFs在大气集水、病原体检测、海水提铀等新兴领域的应用进展。MOFs领域的快速发展不仅促进了更深入的多学科交叉融合，更凸显了其与催化、医药、量子材料及共价MOFs结合的潜力。尽管MOFs的性能调控已取得重大进展，但在开发具有定制性能的最先进MOFs材料及其"构-效"关系探究方面仍存在诸多机遇和挑战。借助于人工智能与各类大型数据库的便捷使用，我们必将迎来MOFs创新的变革时代。

参考文献及原文链接

彭日, 谢雨欣, 袁帅, 沈如伟, 朱敦如. 金属有机框架(2014-2024)：追求卓越性能的十年. 物理化学学报， 2026, 42, 100225. doi: 10.1016/j.actphy.2025.100225

R. Peng, Y. Xie, S. Yuan, R. Shen, D. Zhu, Metal-Organic Frameworks (2014-2024): A decade pursuit for top performance. Acta Phys. -Chim. Sin. 2026, 42, 100225. doi: 10.1016/j.actphy.2025.100225

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.1016/j.actphy.2025.100225

第一作者

彭日 博士研究生

彭日，2025年硕士毕业于南京工业大学化工学院，师从朱敦如教授。现为南京大学袁帅教授课题组科研助理，主要从事MOFs材料合成及性能的研究。

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