中新經緯10月11日電 (董文博)日前公布的2025年諾貝爾化學獎， 讓一種“魔法材料”吸引了全球目光：它只需幾克就可以容納整個足球場；它能從沙漠空氣中收集水，捕獲二氧化碳和有毒氣體。它就是金屬有機框架，一類由金屬離子(或金屬簇)與有機配體通過配位鍵連接形成的多孔材料。

　　瑞典皇家科學院在宣布2025年諾貝爾化學獎得主時，用一句話點評了三位獲獎者北川進(Susumu Kitagawa)、理查德·羅布森(Richard Robson)、奧馬爾·M·亞吉(Omar M. Yaghi)的貢獻：“他們為化學創造了新空間(They have created new rooms for chemistry)。”

　　來源：諾貝爾獎官網，下同

　　那么，金屬有機框架(Metal–Organic Frameworks, 簡稱MOFs)能應用在哪些領域？這項成果有什么重大意義？中新經緯特邀華北電力大學環境科學與工程學院教授、博士生導師王祥科和副教授、碩士生導師孫振麗進行解讀。

　　解決能源與環境問題的科學路徑

　　王祥科團隊介紹，金屬有機框架作為一種多孔材料，其核心特征在于結構的高度可設計性。研究者可以通過選擇不同的金屬和有機配體，構建具有特定孔徑、化學組成和功能位點的骨架，使材料性能實現可預測的設計和制備調控。

　　金屬有機框架擁有遠超傳統材料的比表面積，每克材料可呈現出上千平方米的內部表面，并具備豐富的化學可塑性和功能拓展潛力。這種模塊化構筑理念，使材料的獲取不再依賴天然結構或經驗篩選，而是邁向理性設計與定向合成。它不僅打破了有機與無機化學的界限，還催生了COFs(共價有機框架)與POPs(多孔有機聚合物)等新型框架體系，推動材料科學進入“可編程時代”。

　　王祥科團隊表示，金屬有機框架在環境治理中展現出獨特優勢，可用于對特定分子的精準識別與捕獲。得益于可調控的孔徑和化學微環境，它們能夠選擇性吸附二氧化碳，其中含胺基的材料已被用于碳捕集(CCS)研究；當引入磷、硫或羧基時，則可與放射性核素和重金屬離子形成穩定絡合，用于核廢水處理和水體凈化。

　　同時，在空氣和水污染控制中，金屬有機框架對揮發性有機物和痕量污染物亦表現出較高的去除效率，相較傳統吸附劑具備更強的針對性與結構調控優勢。

　　據諾貝爾獎官網介紹，研究人員創造了許多不同的功能性金屬有機框架。例如，電子行業可以使用金屬有機框架來容納生產半導體所需的一些有毒氣體；一些公司在測試從工廠和發電站捕獲二氧化碳的材料，以減少溫室氣體排放。

　　除分離與吸附外，王祥科團隊表示，金屬有機框架在能源領域亦展現潛力，高比表面積使其具備儲存氫氣、甲烷等能源氣體的能力；經熱轉化生成的金屬有機框架派生碳材料兼具導電性與結構穩定性，已被用于鋰電池和超級電容器。另外，在光催化與電催化體系中，部分金屬有機框架能夠參與二氧化碳還原、水分解及有機轉化等過程，為清潔能源的轉化與利用提供新的材料基礎。

　　孫振麗接受中新經緯采訪時指出，金屬有機框架的問世，是化學史上的一次結構革命，它使研究者得以在分子尺度上構筑功能空間，將材料設計從經驗探索推進到可預測的理性構建。在“雙碳”目標與可持續發展議題日益突出背景下，金屬有機框架所代表的，不僅是一類多孔材料，更是一種以結構設計解決能源與環境問題的科學路徑。

　　“走向商用階段”

　　王祥科指出，當下，金屬有機框架的研究已不再局限于實驗室條件，而是開始進入材料工程與應用驗證階段，“也就是說，目前已經走向商用階段。”

　　不過，王祥科提醒，“金屬有機框架大規模制備目前來說還是有一定的難度。其次，相對于其他材料，其價格仍然偏高。”

　　孫振麗進一步介紹，過去，這類晶體材料常被視為難以放大制備的“學術體系”，而近年來，隨著綠色溶劑體系、模塊化反應和連續化工藝的推進，一些企業已實現公斤級乃至噸級的合成能力，并在氣體分離、空氣凈化及藥物遞送等方向開展中試應用。盡管距離廣泛產業化仍存在成本、穩定性和長期服役評價等挑戰，金屬有機框架已逐漸具備工程屬性，正在從結構化學研究對象轉變為可用于技術開發的材料平臺。

　　孫振麗表示，“可以預見的是，在空氣凈化、碳捕集、資源分離乃至海水提鈾等場景中，這類框架材料將持續發揮作用，而其真正價值，或許在于為未來材料體系提供一種可編程的思維方式，特別是在AI幫助下實現向導式制備。”(中新經緯APP)

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