三十多年前，當(dāng)澳大利亞化學(xué)家理查德?羅布森首次合成出一種多孔晶體材料時(shí)，或許未曾想到，這種被稱為金屬有機(jī)框架（MOF）的 “超級(jí)海綿” 會(huì)在今天成為全球碳中和的關(guān)鍵武器。2025 年 5 月，加拿大本拿比市一座耗資 1.5 億美元的工廠正式投產(chǎn)，每年可生產(chǎn)足夠捕獲 1000 萬(wàn)噸二氧化碳的過(guò)濾器 —— 這標(biāo)志著 MOF 材料終于從學(xué)術(shù)論文走向工業(yè)生產(chǎn)線，完成了從 “書(shū)架” 到 “貨架” 的歷史性跨越。

三十年磨一劍：MOF 的發(fā)現(xiàn)與研究史

MOF 的故事始于 1989 年，羅布森與同事首次報(bào)道了這種由金屬離子與有機(jī)分子通過(guò)配位鍵連接而成的 “分子腳手架”。這類材料最驚人的特征是其內(nèi)部的巨大空間：1 克 MOF 粉末的表面積可相當(dāng)于一個(gè)足球場(chǎng)，是當(dāng)時(shí)已知孔隙率最高的固體材料。



1990 年代中期，加州大學(xué)伯克利分校的奧馬爾?亞吉教授系統(tǒng)推廣了 MOF 概念，并開(kāi)發(fā)出更穩(wěn)定的合成方法。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出 MOF-5、MOF-177 等經(jīng)典結(jié)構(gòu)，將材料的比表面積提升至 4500 平方米 / 克，徹底點(diǎn)燃了學(xué)術(shù)界的研究熱情。此后二十年間，全球研究者合成了超過(guò) 10 萬(wàn)種 MOF 變體，相關(guān)論文數(shù)量突破 10 萬(wàn)篇，共價(jià)有機(jī)框架（COF）等衍生材料也相繼問(wèn)世。

這一時(shí)期的里程碑不斷涌現(xiàn)：2004 年 MOF-177 實(shí)現(xiàn) 4500 平方米 / 克的比表面積；2010 年 MOF-210 將這一紀(jì)錄刷新至 6240 平方米 / 克；2018 年 DUT-60 更是達(dá)到 7839 平方米 / 克的驚人數(shù)值。科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里證明了 MOF 在儲(chǔ)氫、催化、藥物遞送等領(lǐng)域的潛力，但這些 “紙上談兵” 始終未能跨越工業(yè)化的鴻溝。

“超級(jí)海綿” 的獨(dú)門絕技

MOF 之所以被稱為 “材料科學(xué)的奇跡”，源于其三大核心特性：

極致的多孔性使其成為分子級(jí)的 “收納大師”。通過(guò)調(diào)控金屬離子與有機(jī)配體的組合，可精準(zhǔn)控制孔隙大?。◤?0.38 納米到 2.88 納米），實(shí)現(xiàn)對(duì)不同分子的 “篩選”。這種特性讓 MOF 能高效捕獲二氧化碳、氫氣等氣體，甚至從空氣中提取水分。

結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性賦予其無(wú)限可能。從剛性的立方骨架到柔性的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，從單一功能位點(diǎn)到復(fù)合催化中心，MOF 如同 “分子樂(lè)高”，可根據(jù)需求定制性能。例如 ZIF-8 材料兼具 MOF 的有序性和沸石的穩(wěn)定性，而 UiO-66 則能在強(qiáng)酸強(qiáng)堿中保持結(jié)構(gòu)完整。

動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力拓展了應(yīng)用邊界。部分 MOF 可通過(guò)溫度、壓力或光照改變結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn) “吸附 - 釋放” 的精準(zhǔn)調(diào)控。如 MOF-303 在夜間低溫時(shí)吸收空氣中的水蒸氣，升溫至 50℃即可釋放，為沙漠集水提供了新思路。

這些特性讓 MOF 在理論上能解決能源、環(huán)境、醫(yī)療等領(lǐng)域的諸多難題，但從實(shí)驗(yàn)室到工廠的轉(zhuǎn)化，遠(yuǎn)比想象中艱難。



商業(yè)化的 “死亡谷”：從論文到產(chǎn)品的鴻溝

盡管學(xué)術(shù)界熱情高漲，MOF 的產(chǎn)業(yè)化卻在二十年間進(jìn)展寥寥。核心障礙集中在三點(diǎn)：

成本高企是第一道難關(guān)。實(shí)驗(yàn)室合成 MOF 常用昂貴的配體和溶劑，每克成本高達(dá)數(shù)百美元。2010 年巴斯夫曾嘗試量產(chǎn) MOF，但因經(jīng)濟(jì)性不足而擱置；英國(guó) MOF Technologies 公司早期產(chǎn)品單價(jià)甚至超過(guò)黃金。

穩(wěn)定性不足制約實(shí)際應(yīng)用。多數(shù) MOF 在潮濕環(huán)境中會(huì)分解，而工業(yè)煙氣往往含有大量水汽；反復(fù)吸附 - 再生循環(huán)后，材料性能會(huì)明顯衰減，難以滿足工業(yè)設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行需求。

成型與加工難題同樣棘手。MOF 粉末無(wú)法直接用于工業(yè)設(shè)備，需制成薄膜、顆粒或涂層，但加工過(guò)程極易破壞其多孔結(jié)構(gòu)。2015 年前，尚無(wú)企業(yè)能解決 MOF 規(guī)模化成型的技術(shù)瓶頸。

這些問(wèn)題讓 MOF 一度淪為 “學(xué)術(shù)明星，產(chǎn)業(yè)棄子”。正如行業(yè)分析師沙巴巴?塞利姆所言：“10 萬(wàn)種 MOF 中，99% 都只存在于實(shí)驗(yàn)室的離心管里。”

曙光初現(xiàn)：碳捕集打開(kāi)商業(yè)化大門

轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在全球碳中和浪潮中。當(dāng)斯萬(wàn)特科技尋找高效碳捕集材料時(shí)，加拿大卡爾加里大學(xué)開(kāi)發(fā)的 CALF-20 MOF 進(jìn)入視野 —— 這種鋅基材料能在含水煙氣中優(yōu)先吸附二氧化碳，恰好解決了傳統(tǒng) MOF 的 “遇水失效” 難題。

但最初的 CALF-20 合成成本極高，斯萬(wàn)特團(tuán)隊(duì)與學(xué)術(shù)界合作優(yōu)化工藝，最終發(fā)現(xiàn)可用水和甲醇混合溶劑，以低成本大宗化學(xué)品批量生產(chǎn)。這一突破使 MOF 成本降至每公斤數(shù)十美元，巴斯夫隨后接手噸級(jí)生產(chǎn)，為超級(jí)工廠提供核心材料。

如今，斯萬(wàn)特的過(guò)濾器已在工業(yè)煙氣處理中應(yīng)用，其能耗比傳統(tǒng)胺吸收法降低 50%；瑞士 Climeworks 將 MOF 用于直接空氣捕集，在 400ppm 的低濃度下仍保持高效吸附；藍(lán)廷新能源建成國(guó)內(nèi)首條 10 噸級(jí) MOF 中試線，瞄準(zhǔn)鋰電池材料市場(chǎng)。



不止碳捕集，MOF 的應(yīng)用場(chǎng)景正在快速拓展：亞吉團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的集水裝置在死亡谷實(shí)現(xiàn)低濕度環(huán)境取水；Nuada 公司的 MOF 過(guò)濾器可去除工業(yè)廢氣中的有毒物質(zhì)；H2MOF 公司則在測(cè)試 MOF 儲(chǔ)氫罐，目標(biāo)替代無(wú)人機(jī)和電動(dòng)自行車的電池。

市場(chǎng)預(yù)測(cè)顯示，MOF 產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)，從 2023 年的 3000 萬(wàn)美元規(guī)模增至 2035 年的 9.3 億美元，十年間擴(kuò)張 30 倍。

未來(lái)已來(lái)：材料革命的新起點(diǎn)

MOF 的逆襲之路，是先進(jìn)材料產(chǎn)業(yè)化的典型樣本：從 1989 年的首次合成，到 2025 年的千噸級(jí)工廠，歷時(shí) 36 年；從學(xué)術(shù)突破到商業(yè)落地，跨越了成本控制、性能優(yōu)化、工程化驗(yàn)證等多重關(guān)卡。

如今，AI 技術(shù)正加速 MOF 開(kāi)發(fā) —— 亞吉團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練的大型語(yǔ)言模型可在數(shù)周內(nèi)設(shè)計(jì)出新結(jié)構(gòu)，將研發(fā)周期從數(shù)年縮短至數(shù)月；連續(xù)流合成、機(jī)械化學(xué)法等綠色工藝進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本；瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的中試工廠則搭建起 “材料設(shè)計(jì) - 工藝開(kāi)發(fā) - 設(shè)備集成” 的全鏈條平臺(tái)。

隨著全球?qū)μ贾泻偷耐度氤掷m(xù)加碼，MOF 這種 “超級(jí)海綿” 正從實(shí)驗(yàn)室走向更廣闊的舞臺(tái)?；蛟S正如奧馬爾?亞吉所言：“前三十年我們證明 MOF 能做什么，未來(lái)三十年，我們將讓 MOF 改變世界。”