碳语技术博客之|金属有机框架材料：催化领域的新兴力量

前言

金属有机框架（Metal–Organic Framework，MOF）作为近年来材料科学领域最具影响力的多孔晶态材料，其影响力已从基础化学研究延伸至工业催化、能源转化和绿色制造的多个关键赛道。2025 年诺贝尔化学奖授予 MOF 体系的相关研究，进一步确认了这种材料体系在结构化学和应用科学中的战略地位。MOF 的核心优势来自其金属节点与有机配体构筑的规则化三维框架结构，由此带来的超高比表面积、可精确调控的孔径、丰富的功能化路径，以及在分子尺度上对反应环境的可编程化调控，使其成为新一代可设计催化材料的代表。

图1 MOF材料在工业中的催化应用

一、MOF材料及其结构简介

MOF的结构如图2所示，金属节点通常为过渡金属离子，而有机连接体则多为含氮或氧的多齿配体（如羧酸类、咪唑类化合物）。这种模块化组装方式使研究人员能够通过合理选择构建单元，精确调控材料的物理化学性质。与传统的沸石、活性炭等多孔材料相比，MOF具有明显的优势：①其比表面积可高达数千平方米每克，远超大多数传统材料；②孔径可在0.5至10nm范围内精确调节；③孔道表面可通过后合成修饰引入各种官能团，为特定催化反应创造理想环境。

图2 MOF材料的结构特征

二、MOF催化剂的独特优势
空间限制效应：MOF的规整孔道可为催化反应提供独特的微环境，通过空间位阻和传质限制提高反应选择性。例如，将Ir(III)多吡啶络合物固载于UiO-67孔道中，可有效抑制均相催化中常见的副反应，显著提高苯乙烯三氟乙基化反应的选择性[2]。

多功能协同催化：MOF可同时整合多种活性位点，实现协同催化。Zhou等人报道的双功能MOF催化剂，同时具备Lewis酸性和碱性位点，在CO₂与环氧化物的环加成反应中表现出接近100%的转化率[3]。

MOF材料的化学可调性和结构灵活性不仅使它们能够解决多领域的催化挑战，还使其能够优化材料本身的稳定性、选择性和可回收性。

三、能源与环境领域的应用进展

MOF正以其独特的可设计性成为解决能源挑战的关键催化剂。通过精准选择金属节点与有机配体，可定向合成兼具高比表面积、理想孔径与活性位点的MOF材料。这种“量身定制”的优势，使MOF在光/电催化水分解、碳循环（CO₂转化利用）及清洁能源转换等过程中表现突出，为开发新一代高效、绿色的能源技术提供了全新路径。

CO₂转化与利用：MOF在CO₂捕获和转化方面展现出巨大潜力。Ru@MIL-101等催化剂在CO₂甲烷化反应中表现出高活性和稳定性，为温室气体资源化利用提供了新途径。研究表明，在225°C反应温度下，该类催化剂可保持超过99%的CH₄选择性[4]。

光/电催化水分解：MnCdS/ZnS-VZn等MOF基复合材料在可见光驱动的水分解制氢反应中表现出优异性能。据实验数据显示，最优催化剂产氢速率可达394.4 μmol·h⁻¹·g⁻¹，显著高于许多传统半导体催化剂[5]。

生物质转化：MOF衍生催化剂在生物质精炼领域取得重要进展。NiMo@NC催化剂在月桂酸加氢脱氧反应中实现99.36%的转化率，且经过多次循环使用后仍保持95%的活性，展现出良好的工业应用前景[6]

图3 MOF材料在催化中的不同应用

四、MOF的发展与挑战

早期MOF材料面临的主要挑战是化学和热稳定性不足。近年来，通过选择高价金属离子（如Zr⁴⁺、Ti⁴⁺、Fe³⁺）与刚性配体构建框架，显著提高了材料的稳定性，也涌现出了如广东碳语新材料等可定制化批量合成MOF的科技公司。该公司的Zr基MOF可在水相和酸性环境中保持结构完整，大大扩展了其应用范围。

同时，规模化生产仍是MOF商业化应用的主要瓶颈。传统溶剂热法能耗高、周期长，且使用大量有机溶剂。广东碳语新材料有限公司采用新兴的机械化学法、连续流合成和喷雾干燥等技术已很大程度上解决了这些挑战，为MOF的工业化生产提供可行路径。随着合成方法的不断创新和对材料结构理解的深入，MOF基催化剂正朝着多功能化、智能化和实用化方向发展。未来的研究重点将集中于提高材料在真实反应条件下的长期稳定性，同时设计具有刺激响应性的智能催化系统，探索MOF在电催化、光催化等新兴领域的应用。

MOF材料的发展代表了材料科学从结构设计到功能实现的重大进步，为解决能源和环境领域的重大挑战提供了新的解决方案。随着基础研究的深入和工程技术的进步，MOF基催化剂有望在绿色化学和可持续发展中发挥更为重要的作用。

参考文献

[1] M. Akbarian, E. Sanchooli, A.R. Oveisi, S. Daliran, Choline chloride-coated UiO-66-Urea MOF: A novel multifunctional heterogeneous catalyst for efficient one-pot three-component synthesis of 2-amino-4H-chromenes, J. Mol. Liq. 325 (2021) 115228.

[2] X. Yu, S.M. Cohen, Photocatalytic Metal–Organic Frameworks for Selective 2,2,2-Trifluoroethylation of Styrenes, J. Am. Chem. Soc. 138 (2016) 12320–12323.

[3] P. Zhou, X. Zhou, Z. Song, D. Shao, D. Wang, Metal–organic frameworks with Lewis acid-base sites as highly efficient catalyst for the cycloaddition of carbon dioxide, J. Solid State Chem. 331 (2024) 124500.

[4] E. Moioli, N. Gallandat, A. Züttel, Model based determination of the optimal reactor concept for Sabatier reaction in small-scale applications over Ru/Al2O3, Chem. Eng. J. 375 (2019) 121954.

[5] J. Wei, Y. Chen, H. Zhang, Z. Zhuang, Y. Yu, Hierarchically porous S-scheme CdS/UiO-66 photocatalyst for efficient 4-nitroaniline reduction, Chin. J. Catal. 42 (2021) 78–86.

[6] J.T. Li, S. Xia, Bimetallic NiMo Using MOF-Derived Carbon-Supported Catalysts for the Reaction of Lauric Acid to Alkane, Catal. Surv. Asia 28 (2024) 269–282.