●本报记者 王钰杰

10月8日，瑞典皇家科学院宣布，将2025年诺贝尔化学奖授予开发出拥有无数微小孔洞的金属有机框架（MOF）的日本科学家北川进、澳大利亚科学家理查德·罗布森和美国科学家奥马尔·亚吉。诺贝尔化学奖委员会主席海纳·林克称，“MOF具有巨大潜力，能为具有新功能的定制材料带来前所未有的机遇”。据市场研究和咨询服务公司MNM测算，2024年MOF市场规模为0.51亿美元，2030年预计将达到17亿美元，复合年增长率将达到22.1%。

“分子海绵”

金属有机框架是一种多孔高分子材料，其中金属离子通过有机分子以规则的重复模式相互连接，形成三维网络结构。在金属节点与连接它们的分子之间存在巨大的空腔，使材料具有高度多孔性。

2017年，亚吉表示，仅一克MOF的内部表面积就相当于两个橄榄球场。这使得金属有机框架比沸石和介孔二氧化硅等其他多孔材料具有更强的吸附能力，被称为“分子海绵”。

通过使用不同金属并改变有机连接体的类型和长度，可以调节金属有机框架的结构，使其孔隙变大或变小，或增强其结合特定客体分子的能力。这意味着，它们可用于气体存储、各类过滤或碳捕集与封存（CCS）等领域。

多元化应用

自1989年罗布森首次合成MOF后，该领域便呈现爆发式增长，每年有数千种新型MOF结构问世。过去20年，MOF的应用价值日益凸显。

事实上，早在2010年，亚吉就提出锌基MOF在储存氢气方面有巨大潜力，并计划与巴斯夫合作进行商业化生产。但将足量的氢气高效、快速地充入MOF储罐存在巨大的技术挑战，同时成本高昂，而且电动汽车技术的迅速崛起和太阳能发电成本的不断下降，使得氢能的吸引力有所减弱，导致这一合作计划胎死腹中。不过，2014年，亚吉与巴斯夫建立了加利福尼亚研究联盟，将MOF作为重点研究对象之一。

2016年，英国公司Nuada推出一款基于MOF的产品，通过储存并缓慢释放调控植物生长的化合物来延长蔬果保鲜期。同年，美国初创企业NuMat推出采用MOF技术的气瓶，可安全储存电子工业使用的有毒气体。美国科技巨头Meta近期利用1.5万种已知MOF结构训练人工智能，试图开发出碳捕集更高效的新材料。

2023年，巴斯夫宣布，已成为首家实现规模化生产MOF且年产量达到数百吨的企业，可根据客户需求定制MOF，同时已具备为不同应用领域和行业生产定制化MOF的能力。巴斯夫首个MOF项目的客户是加拿大CCS解决方案供应商Svante，由Svante提供MOF的实验室配方，巴斯夫实现规模化生产。巴斯夫生产的MOF作为固体吸附剂应用于CCS项目，助力氢能、造纸、水泥、钢铁、铝业及化工等多个领域降低碳排放。

2021年，埃克森美孚联合美国加利福尼亚州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室，发现了一种可捕集电力行业90%以上碳排放的新型MOF，不过研究仍处于初期阶段。2022年12月，埃克森美孚宣布，计划到2027年投入170亿美元用于降低温室气体排放量，重点布局大规模CCS项目、氢能及生物燃料等领域，而MOF将起到关键作用。

此外，亚吉正进一步研究MOF-303，其能在极端干燥的情况下从空气中吸收水蒸气，可在夜间低温时吸收空气中的水分子，白天沙漠中微小的温度变化足以使其将水分释放出来，从而实现水分的收集，被喻为“水分子猎人”。为此，亚吉创立了Atoco公司，目前正在测试商业化的集水装置。这表明，MOF的应用潜力远不止于气体储存或CCS领域，还能为解决全球水资源短缺问题提供新方案。

我国MOF的应用也越发广泛。据新京报报道，广东碳语新材料公司在珠海金湾区实现了MOF的规模化量产，已开发出40余款MOF产品，竞争力目前处于全球第二梯队；岳阳兴长是我国唯一实现MOF材料百吨级量产的企业，其MOF材料作为固态电池电解质已向宁德时代送样并进入装车测试阶段；特种环氧树脂（MOF衍生材料）已用于华为、三星的芯片封装胶黏剂。此外，据无锡日报报道，由无锡新储材料科技公司投产的百吨级MOF材料生产线年底将投产。

潜力巨大

英国皇家化学学会表示，虽然MOF的合成存在产量低、成本高、条件苛刻等因素，且合成后在高温、水环境、酸或碱性等条件下的长效稳定性不佳，限制了其在工程实践中的应用，但未来仍具有极大的市场应用潜力。

MOF可应用于目前难以减排脱碳的行业，可在CCS技术中作为高选择性过滤器，在氮气、水蒸气等其他气体存在的情况下快速吸附二氧化碳。其核心优势在于滤材可在几分钟内完成再生，与现有技术相比能耗更低。

MOF可以减少化学品生产过程中的碳足迹，作为重要化工原料的丙烯可通过基于MOF的膜技术从丙烷中分离，生产聚合物级丙烯。瑞士初创企业UniSieve表示，相比传统蒸馏工艺，其分子筛膜技术可将丙烯或丙烷分离过程的能耗降低约90%。利用MOF开发替代性分离技术，以取代或补充现有系统从而降低能耗。

定制化的MOF可以选择性分离化学物质，适用于直接锂提取（DLE）技术，而这是传统锂分离方法的替代方案。国际能源署（IEA）预测，到2030年，全球锂需求将超过70万吨，而预期供应量仅能满足约70%的需求。此外，据英国市场咨询公司IDTechEx预测，2026年起，锂矿将出现供应缺口。因此，实现矿产供应链的多元化至关重要。近年来，美国能源公司EnergyX用MOF制作膜材料，开发专有的模块化锂离子传输与分离技术。目前，该公司已与通用汽车合作，研发直接锂提取与精炼技术，并推动其商业化进程。

MOF能拓宽可回收制冷剂的范围，并降低制冷的高能耗。氟碳制冷剂的全球变暖潜能值比二氧化碳高数百至数千倍。根据《〈关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书〉基加利修正案》，到2036年，必须大幅削减氢氟碳化物制冷剂的生产。为此，制冷剂及暖通空调设备制造商正积极推动制冷剂的回收利用。目前研发基于MOF的分离技术，能实现沸点差异微小的氟碳制冷剂分离，这是蒸馏等传统分离方法无法实现的。

此外，MOF还可以作为降低制冷能耗的媒介。国际能源署预测，随着新兴市场和发展中经济体对空调需求的持续增长，到2050年，制冷能耗将翻倍。为缓解发电和基础设施压力，亟须开发更高能效的空调系统。例如，加拿大蒙大拿科技公司正将AirJoule技术投入商业化应用，利用MOF制成涂层铝接触器，可集成于暖通空调系统和大气水收集系统，彻底告别制冷剂。该公司宣称，其技术可降低约75%的电力消耗。2024年3月，蒙大拿科技公司宣布，将与巴斯夫和宁德时代等合作伙伴共同推进该技术的商业化进程。