当前，在全球新一轮科技与产业革命的大背景下，世界主要国家都将发展新材料作为主要的科技政策之一，旨在抢占科技与产业发展的制高点。与此同时，世界经济重心调整、国际政治经济格局加速变化及国际贸易摩擦持续上演，这些给我国新材料行业带来巨大的挑战，同时也带来了新的机遇。

MOFs材料作为新兴的功能材料，受到了学术界和工业领域的广泛关注。MOFs材料指通过金属离子和有机配体组装，得到的具有类似沸石分子筛规则孔道结构的晶态材料。该类材料具有比传统多孔材料更大的比表面积、更高的空隙率，同时由于有机成分的存在又使其兼具可设计性、可剪裁性、孔道尺寸可调节性，孔道表面易功能化等特点，在气体吸附分离、水净化处理、催化应用、电极材料、生物医疗等诸多领域有着“多才多艺”的表现。我国在MOFs材料研究领域，取得许多引人瞩目的研究成果。

一、 气体吸附分离

中山大学的张杰鹏教授致力于MOFs多孔材料的设计、合成、气体吸附分离和相关机理研究。该团队提出了“亲水孔道捕获疏水分子”的概念，利用超微孔表面精确排列的氢键受体，高效结合极性较低的乙烷分子而非极性较大的乙烯分子，并据此合成了MAF-49。常温常压下，将乙烯/乙烷混合物通过MAF-49填充的固定床吸附装置后，乙烷被选择性吸附保留，流出的乙烯纯度超过99.99%。在上述工作的基础上，研究团队又提出了“控制柔性客体分子构型可反转吸附选择性”的概念。利用MAF-23，实现了反常而且最优的C4碳氢化合物吸附分离顺序，同时避免了常规蒸馏和吸附纯化过程中因加热而产生的丁二烯自聚问题。

图1 主客体结构适应性与吸附等温线

西北工业大学陈凯杰教授团队在Science上报道首次实现了在四组份体系下乙烯的一步高效分离。该团队通过有效地串联三种MOF材料在单一吸附柱内，在常温条件下分别将乙炔，乙烷和二氧化碳依次高效地去除，从而在吸附柱尾端实现高纯度乙烯（>99.9%）的一步分离收集，大大降低乙烯分离工艺所需能耗。

图2 乙烯的协同吸附分离技术（SSST）与目前分离技术对比图

二、 水净化处理

水净化处理对于解决全球日益关注的水资源短缺和质量问题至关重要，开发可用于高效污水处理的膜分离材料有望大幅降低能耗和成本。北京理工大学王博团队在Nature Communications上报道了一种热致相分离-热压法（TIPS-HoP）联用策略可以实现连续生产高负载量、柔性MOF基混合基质膜。以NH2-UiO-66/MIL-100(Cr) PE MMM为例，在相同的过滤方式下（错流模式、污染物浓度、再生过程），其通量比商用超滤膜提升了4倍，并表现出优异的长循环使用性能。

图3 通过TIPS-HoP法制备MOF PE MMMs 膜的示意图

三、 催化应用

CO2的氢化转化被认为是碳资源循环利用的重要方向。厦门大学汪骋教授课题组在Nature Catalysis上发表了MOF负载的Cu基催化剂用于CO2氢化制备乙醇研究成果。该团队选用一种含有Zr12节点的金属有机框架（MOFs）作为载体，通过对节点上的羟基使用TMSLi进行去质子化，然后加入Cu源进行金属负载的后修饰组装技术将CuI活性中心负载在金属节点上，实现了双铜金属中心的构建，不仅可以通过双金属氧化加成进行氢气的活化，还可在碱金属离子的协助下实现C-C键生成，从而实现CO2到乙醇的转化。

图4 二氧化碳转化为乙醇示意图

四、 电极材料

MOFs材料被用于能量存储与转换领域，例如燃料电池、电解池及金属-空气电池等。Mao等人制备了一种Cu(II)-BTC材料，并研究了其在0.1M磷酸缓冲电解液（pH=6.0）中的ORR催化活性。研究人员进一步通过在合成Cu(II)-BTC过程中添加2,2’-bipyridine (bipy)作为辅助配体形成了Cu(II)-bipy-BTC材料。与Cu(II)-BTC相比，添加bipy的MOF材料其水稳定性被大幅提高，导致ORR催化活性也被提高。此外，Zhao等人研发了一种NPC-4材料。通过将孔内气体分子移走后，NPC-4在0.1M磷酸缓冲电解液（pH=6.0）中，显示出比未激活的NPC-4更高的ORR催化活性。

图5 ZIF-67/PPy杂化材料合成示意图

基于新材料技术发展而来的电容去离子（CDI）技术，节能高效、绿色环保；当前使用的碳电极在实际运行中会发生不可逆转的氧化反应，造成CDI技术的产业化发展缓慢。河海大学徐兴涛博士在期刊Materials Horizons上首次提出利用金属有机框架ZIF-67与PPy杂化材料作为CDI电极，实现了电极运行寿命的大幅延长，这是目前最先进的CDI电极之一。该成果对推动CDI技术的产业化应用具有重要意义。

五、 生物医疗

血栓相关疾病，如缺血性卒中、急性心肌梗死和深静脉血栓形成等，具有高致死率和致残率。目前以纤维蛋白溶解药物为代表的溶栓药广泛应用于临床，但该类药溶栓后致命的出血风险是其临床应用的一大局限。北京化工大学刘惠玉教授合作在期刊Advanced Science报道了基于靶向血栓部位GPIIb/IIIa受体的RGD肽偶联金属有机骨架（MOF）衍生的含有类卟啉结构的介孔碳球（PMCS），实现了87.9%的下肢血栓再通率。

图6 RGD-PMCS介导的位点特异性光热/光动力血栓治疗示意图

光动力疗法（PDT）是一种基于光化学反应的治疗技术，具有高的可控性和低的毒副作用，已被应用于肿瘤等相关疾病的临床治疗。国家纳米科学中心李乐乐、赵宇亮课题组在Angew. Chem. Int. Ed.上报道了Nd3+离子敏化的上转换金属有机框架Janus纳米结构。在808 nm近红外光激发下，Janus纳米光敏剂中UCNP捕获低能量光子后，通过共振能量转移将能量传递给临近的MOF纳米粒子，从而特异性的在线粒体内产生单线态氧，实现光动力治疗。808 nm激发光的使用可有效避免传统980 nm激发上转换发光所产生的热效应和损伤正常组织的问题，提高了激光应用的安全性。

图7 808 nm的近红外光激活的上转换MOFs材料放大PDT示意图

聊城大学张庆富教授课题组长期从事MOFs材料的研究，在MOFs的设计、合成和性能研究方面积累了丰富的经验，取得了一定的研究成果。迄今为止，在Chem. Commun., Inorg. Chem., Chem. Eur. J. 和Dalton Trans.等国际重要期刊发表SCI论文50余篇，引用超过1000多次，授权发明专利6项。

图8 本课题组设计合成的部分MOFs材料

导师简介

张庆富，男，教授，中科院博士，日本NIMS博士后，硕士生导师，济南大学兼职博士生导师。主持国家自然科学基金青年项目、面上项目，山东省自然科学基金，教育部产学研合作育人项目等多项课题，发表SCI论文50余篇，授权发明专利6项，多次获山东省高等学校自然科学奖和聊城大学科研成果奖，在MOFs材料研究领域积累了丰富的专业知识和科研工作经验。

招生专业：化学

来源: 聊城大学化学与生活科普工作室