金属有机框架（MOFs）

结构组成

核心组成单元

MOFs的结构由两大核心单元通过配位键连接形成，二者的种类与连接方式直接决定了MOFs的结构形态与功能特性，同时辅以其他作用力稳定整体结构。金属中心又称次级构筑单元（SBUs），主要为金属离子或金属簇，是MOFs框架的节点结构，承担着连接有机配体、支撑整体框架的作用。金属中心的配位偏好的不同，会直接影响配体的结合数量与取向，进而调控框架的孔径大小与空间构型。有机配体又称桥连配体，是连接金属中心的“桥梁”，多为含氮、氧、硫等配位原子的多齿有机分子，可分为单一配体与混合配体两类。配体的长度、刚性、配位位点数量，直接决定了MOFs框架的孔隙尺寸、拓扑结构及表面化学性质，是实现MOFs结构调控的关键。除配位键外，MOFs框架还可通过氢键、范德华力、芳香环间的相互作用等次级作用力进一步稳定结构，使材料的结构与功能更加多元化。

结构分类

MOFs的分类方式主要基于结构特点及首次合成的科研机构，不同类别虽均由金属中心与有机配体连接而成，但在金属离子种类、配体类型、连接方式及拓扑结构上存在差异，进而导致其性能各不相同。常见的MOFs类别包括IRMOF系列、ZIF系列、UiO系列、MIL系列、PCN系列等，各类别均有其典型的结构特征与性能优势，适配不同的应用场景。根据孔隙尺寸，MOFs可分为 nanoporous、mesoporous 与 macroporous 三类，其中后两类多为无定形态。

拓扑结构

MOFs具有定义明确的拓扑结构，这是其区别于传统多孔材料的重要特征之一。拓扑结构由金属中心与有机配体的连接方式决定，表现为一维、二维或三维的周期性网络结构，其中三维开放结构是MOFs实现多孔性能的核心结构形态。多数MOFs为晶态结构，部分存在无定形态及其他无序相。晶态MOFs的框架结构在去除客体分子（如溶剂）后仍能保持稳定，其孔隙可重新填充其他化合物，这一特性为其在吸附、存储等领域的应用提供了结构基础。

核心特性

多孔性与高比表面积

多孔性是MOFs最核心的特性之一，其孔隙率最高可达到晶体体积的90%以上，孔隙尺寸可通过选择不同长度的有机配体进行精准调控。高孔隙率赋予MOFs超大的比表面积，部分MOFs的比表面积可达到数千平方米每克，远超传统多孔材料，为其提供了充足的吸附与反应位点。

结构可调控性

MOFs的结构具有高度可调性，通过改变金属中心的种类、有机配体的结构与功能基团，可实现对框架拓扑结构、孔径大小、表面化学性质的定向设计。这种可调控性使得MOFs能够根据具体应用需求，定制具有特定功能的材料，极大拓展了其应用范围。

优异的稳定性

MOFs中金属中心与有机配体之间形成的配位键强度较高，再结合次级作用力的协同作用，使其具有优异的热稳定性与化学稳定性。多数MOFs可在250-500℃的温度范围内保持框架稳定，部分材料甚至可在更高温度下不发生相变，同时对多种化学介质具有良好的耐受性。

功能多样性

MOFs的功能多样性源于其结构的可调控性，通过在有机配体或金属中心引入特定功能基团，可赋予其吸附、催化、传感、导电等多种功能。此外，MOFs还可作为牺牲模板，制备纳米多孔碳、纳米结构金属氧化物等复合材料，进一步拓展其功能边界。

制备方法

MOFs的制备方法直接影响其形貌、结晶度与性能，探寻高效、环保、绿色的制备方法是MOFs规模化应用的关键。目前MOFs的制备方法可分为传统制备方法与新型制备方法两大类，各类方法均有其适用范围与优缺点。

传统制备方法

水热/溶剂热法是最早使用且应用最广泛的MOFs制备方法，以水或其他有机溶剂为反应介质，在封闭容器中借助体系自生压力与设定温度，使金属盐与有机配体发生配位反应，形成MOFs晶体。该方法适用范围广、反应条件易于控制，所得晶体结构规整，但存在反应时间长、温度高、有机溶剂用量大且难以回收等不足。超声法利用超声波的机械振动的作用，促进金属中心与有机配体在溶剂中的分散与反应，具有反应速率快、产物颗粒形态均匀、结晶时间短等优势，可制备出尺寸较小的MOFs晶体，但超声波的强度与频率会影响产物的质量与性能。微波法借助微波辐射的高效能量传递特性，加速金属离子与有机配体之间的配位反应，实现MOFs的快速制备。该方法加热均匀、反应效率高、产率高，可制备出纯度较高的晶体，但对反应条件要求严格，微波能量与设备差异会显著影响反应结果。

新型制备方法

新型制备方法以高效、绿色、规模化为核心目标，包括气相沉积法、界面合成法、微流控法等。这些方法有效克服了传统方法的不足，可实现MOFs的快速、绿色制备，部分方法还可与传统方法结合，兼具高效与环保的优势，为MOFs的规模化生产提供了可能。此外，调制水热合成作为水热法的改进型方法，通过加入调节剂控制反应动力学，可在低温常压下实现MOFs的绿色制备，同时调控产物的晶型、形貌与缺陷，为MOFs的批量生产提供了新路径。

应用领域

气体存储与分离

MOFs凭借高孔隙率与大比表面积，在气体存储与分离领域具有显著优势。其稳定的孔隙结构可实现对氢气、二氧化碳、甲烷等气体的高效吸附与存储，同时可根据气体分子尺寸与极性的差异，实现不同气体的精准分离，在清洁能源存储、温室气体治理等领域具有重要应用价值。

催化领域

MOFs可通过调控金属中心与有机配体，构建具有特定活性位点的催化体系，其高比表面积可增加催化活性位点的暴露量，提升催化效率。同时，MOFs的孔隙结构可限制反应物与产物的扩散，提高催化选择性，广泛应用于酸碱催化、氧化还原催化、有机合成催化等多个领域。

环境治理

在环境治理领域，MOFs可利用其吸附性能，高效去除水体与空气中的污染物，包括重金属离子、有机污染物、有害气体等。部分MOFs还可通过功能改性，实现对污染物的降解与转化，为水体净化、空气净化等环境治理任务提供了新型高效材料。

储能领域

MOFs的高孔隙率与结构可调控性使其在储能领域具有广阔应用前景，可作为超级电容器、 rechargeable batteries 的电极材料或电解质载体，通过优化结构与功能，提升储能设备的容量、循环稳定性与充放电效率，助力新能源产业的发展。

生物医学领域

MOFs的生物相容性与结构可调控性使其在生物医学领域展现出良好的应用潜力，可作为药物载体实现药物的缓慢释放与靶向递送，也可用于生物成像、生物传感等领域，为疾病的诊断与治疗提供新的技术路径。

发展研究

发展历程

MOFs的发展始于20世纪80年代末，研究者通过金属离子与四臂有机分子自组装，形成含巨大空腔的晶体结构，开启了分子建筑领域的探索。20世纪90年代中期，相关课题组首次报道并命名金属有机框架材料，开创了MOFs的研究热潮。此后数十年，MOFs的研究不断推进，从早期的结构探索逐步转向功能开发，各类新型MOFs被相继合成，其稳定性、孔隙率与功能特性不断提升。2025年，三位科学家因在MOFs开发领域的开创性贡献获得诺贝尔化学奖，标志着MOFs的研究与应用进入了新的发展阶段。

研究展望

当前MOFs的研究重点集中在绿色规模化制备、功能机理研究及复合材料构筑等方面。未来，需进一步优化制备工艺，开发高效、低成本、环保的规模化制备方法，降低MOFs的应用成本。同时，加强MOFs结构与功能之间的构效关系研究，推动MOFs在更多新兴领域的应用。此外，MOFs与其他材料的复合的研究将成为重要发展方向，通过与高分子材料、无机纳米材料等复合，可进一步提升MOFs的性能，拓展其应用边界，推动MOFs从实验室研究走向工业化应用。^[1]