與沸石相比，MOF材料能捕獲二氧化碳與有毒氣體——解讀2025年諾貝爾化學獎

發(fā)布于： 2025-10-10 16:45

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2025年諾貝爾化學獎揭曉：三位科學家因開創(chuàng)金屬有機框架材料（MOF）獲獎

當?shù)貢r間10月8日11時45分，2025年諾貝爾化學獎公布，授予北川進（Susumu Kitagawa）、理查德·羅布森（Richard Robson）和奧馬爾·亞吉（Omar Yaghi），以表彰“他們對金屬-有機框架的發(fā)展”。

三位獲獎者創(chuàng)造了一種具有巨大空間的分子結構，使氣體和其他化學物質(zhì)能夠在其中流動。這些結構被稱為金屬有機框架（metal-organic frameworks，簡稱 MOF），可用于從沙漠空氣中提取水分、捕獲二氧化碳、儲存有毒氣體，或催化化學反應。

三位獲獎者發(fā)展出一種全新的分子結構架構形式。在他們的設計中，金屬離子充當“角石”，由長鏈有機（以碳為基礎的）分子相互連接。金屬離子與有機分子共同組裝成具有大量空腔的晶體結構。這種多孔材料被稱為金屬有機框架（MOF）。通過改變 MOF 所采用的構筑單元，化學家可以定向設計出能夠捕獲和儲存特定物質(zhì)的材料。MOF 還可以驅動化學反應或導電。

“總結而言， MOF 材料的獲獎意義在于其在吸附分離領域中發(fā)揮了至關重要的作用，并通過作為碳材料模板，極大地拓展了其在能源、催化和材料科學中的廣泛應用潛力。”

如果一名房地產(chǎn)中介負責推銷分子世界的房產(chǎn)，他或許會說：“這是一間寬敞明亮、專為水分子量身定制的單身公寓。”

這樣的“房子”確實存在。它們是由科學家精心設計的分子建筑——金屬有機框架（MOF）。今年，諾貝爾化學獎授予日本科學家北川進、澳大利亞科學家理查德·羅布森和美國科學家奧馬爾·亞吉，以表彰他們在MOF材料開發(fā)方面的開創(chuàng)性貢獻。

這種新型分子結構內(nèi)部擁有大量空腔，分子可在其中自由進出。得益于三位科學家的工作，化學家如今已能設計出數(shù)以萬計的不同MOF，為化學領域帶來一連串“奇跡”。

理查德·羅布森：“分子建筑”靈感源自一節(jié)化學課

科學發(fā)現(xiàn)常始于“跳出框架”的思考。2025年諾貝爾化學獎的故事，源自一節(jié)普通的化學課準備。

1974年，理查德·羅布森正在為課堂制作分子模型，他用木球代表原子、木棒代表化學鍵。擺弄間，他靈光一現(xiàn)：如果能像拼積木一樣，讓原子或分子依照其化學特性自行連接，能否構建出新的“分子建筑”？

直到十多年后，他終于動手驗證這一想法。羅布森將帶正電的銅離子與四臂分子相結合，結果這些分子像鉆石晶格一樣自組裝成規(guī)則的三維晶體結構，不同的是，這種晶體內(nèi)部竟有大量空腔。1989年，他在《美國化學會志》上發(fā)表成果，首次提出這類分子網(wǎng)絡的潛力，預言它們將賦予材料前所未有的性質(zhì)。

理查德·羅布森的靈感來源于鉆石的結構，鉆石中的每個碳原子都與其他四個碳原子連接，形成金字塔狀的結構。

此后，羅布森陸續(xù)合成出多種含空腔的分子網(wǎng)絡，并證明這些結構內(nèi)部的離子可以互換，從而讓物質(zhì)進出。他展示了可按需設計的分子晶體，并提出這種材料可用作催化劑。盡管早期材料脆弱、易分解，被認為“沒用”，但羅布森已打開了“分子建筑”的大門。

北川進：讓“無用之物”變得有用

20世紀90年代，北川進接過了羅布森探索的火種。他奉行的信條是：“要看到‘無用之物’的用處。”

1992年，北川進構建出一種二維分子材料，分子之間形成可容納丙酮分子的空腔。雖然功能有限，但這代表一種全新的分子設計思維。他同樣用金屬離子作為“支點”，以有機分子相連。

1997年，北川進成功構建出一種金屬有機骨架，其內(nèi)部由開放通道相交。

1997年，他的團隊用鈷、鎳、鋅離子與4,4′-聯(lián)吡啶分子搭建出三維MOF結構，形成交錯的空腔通道。當他們將材料中的水去除后，這些孔洞仍然穩(wěn)定，可以吸附和釋放甲烷、氧氣、氮氣等氣體而不變形。

面對“已有多孔沸石，為何還要MOF？”的質(zhì)疑，北川進給出關鍵答案。他認為，MOF可由多種金屬和有機分子構建，功能可定制，并且材料柔韌，能如呼吸般吸附和釋放氣體。這一定義奠定了MOF的科學基礎。

奧馬爾·亞吉：為分子積木命名并賦予力量

在大洋彼岸，奧馬爾·亞吉延續(xù)并拓展了這一理念。

1995年，亞吉正式提出“金屬有機框架（MOF）”這一名稱，定義了這種由金屬節(jié)點和有機配體組成、具有規(guī)則空腔的晶體結構。

1999年，亞吉構建了一種非常穩(wěn)定的材料——MOF-5，它具有立方體結構。

隨后，他于1999年研發(fā)出MOF-5，這是一種極其穩(wěn)定且空間巨大的框架結構，即使在300℃高溫下也不會坍塌。最令人震驚的是其內(nèi)部表面積：幾克MOF-5的內(nèi)部總面積相當于一個足球場，遠超傳統(tǒng)沸石。這意味著它能吸附更多氣體。

亞吉的團隊繼續(xù)擴展MOF家族，創(chuàng)造出十幾種變體，用以儲存甲烷、捕獲二氧化碳，甚至在沙漠中利用MOF創(chuàng)造了“空中取水”的奇跡：夜晚材料吸附空氣中的水汽，白天經(jīng)太陽加熱后釋放出液態(tài)水，為干旱地區(qū)提供取水新途徑。

圖. MOF-303可在夜間從沙漠空氣中捕獲水蒸氣，次日清晨材料受熱后即釋放飲用水；MIL-101具有巨型空腔結構，已應用于催化降解污染水體中的原油與抗生素，同時具備儲氫與二氧化碳封存功能；UiO-67可吸附水體中的全氟烷基物質(zhì)，在水體凈化與污染物去除領域展現(xiàn)應用前景；ZIF-8正通過實驗研究用于從廢水中回收稀土元素；CALF-20具有非凡的二氧化碳吸附能力，目前正在加拿大某工廠進行測試；NU-1501經(jīng)優(yōu)化可實現(xiàn)常壓條件下的氫氣儲釋。氫能雖可作為車輛燃料，但常規(guī)高壓儲氫罐存在爆炸風險。©Johan Jarnestad/瑞典皇家科學院

如今，科學家已設計出數(shù)以萬計的MOF，它們被用于碳捕集、空氣凈化、藥物遞送、能源存儲等眾多前沿領域。甚至在半導體制造中，也有MOF被用于捕捉或分解劇毒氣體。雖然目前大多仍處于小規(guī)模應用階段，但許多公司已開始投資其規(guī)?；a(chǎn)與商業(yè)化，部分領域已取得實質(zhì)性進展。多家公司正在測試可從工廠與發(fā)電站廢氣中捕獲二氧化碳的 MOF 材料，以降低溫室氣體排放。