与沸石相比，MOF材料能捕获二氧化碳与有毒气体——解读2025年诺贝尔化学奖

发布于： 2025-10-10 16:45

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2025年诺贝尔化学奖揭晓：三位科学家因开创金属有机框架材料（MOF）获奖

当地时间10月8日11时45分，2025年诺贝尔化学奖公布，授予北川进（Susumu Kitagawa）、理查德·罗布森（Richard Robson）和奥马尔·亚吉（Omar Yaghi），以表彰“他们对金属-有机框架的发展”。

三位获奖者创造了一种具有巨大空间的分子结构，使气体和其他化学物质能够在其中流动。这些结构被称为金属有机框架（metal-organic frameworks，简称 MOF），可用于从沙漠空气中提取水分、捕获二氧化碳、储存有毒气体，或催化化学反应。

三位获奖者发展出一种全新的分子结构架构形式。在他们的设计中，金属离子充当“角石”，由长链有机（以碳为基础的）分子相互连接。金属离子与有机分子共同组装成具有大量空腔的晶体结构。这种多孔材料被称为金属有机框架（MOF）。通过改变 MOF 所采用的构筑单元，化学家可以定向设计出能够捕获和储存特定物质的材料。MOF 还可以驱动化学反应或导电。

“总结而言， MOF 材料的获奖意义在于其在吸附分离领域中发挥了至关重要的作用，并通过作为碳材料模板，极大地拓展了其在能源、催化和材料科学中的广泛应用潜力。”

如果一名房地产中介负责推销分子世界的房产，他或许会说：“这是一间宽敞明亮、专为水分子量身定制的单身公寓。”

这样的“房子”确实存在。它们是由科学家精心设计的分子建筑——金属有机框架（MOF）。今年，诺贝尔化学奖授予日本科学家北川进、澳大利亚科学家理查德·罗布森和美国科学家奥马尔·亚吉，以表彰他们在MOF材料开发方面的开创性贡献。

这种新型分子结构内部拥有大量空腔，分子可在其中自由进出。得益于三位科学家的工作，化学家如今已能设计出数以万计的不同MOF，为化学领域带来一连串“奇迹”。

理查德·罗布森：“分子建筑”灵感源自一节化学课

科学发现常始于“跳出框架”的思考。2025年诺贝尔化学奖的故事，源自一节普通的化学课准备。

1974年，理查德·罗布森正在为课堂制作分子模型，他用木球代表原子、木棒代表化学键。摆弄间，他灵光一现：如果能像拼积木一样，让原子或分子依照其化学特性自行连接，能否构建出新的“分子建筑”？

直到十多年后，他终于动手验证这一想法。罗布森将带正电的铜离子与四臂分子相结合，结果这些分子像钻石晶格一样自组装成规则的三维晶体结构，不同的是，这种晶体内部竟有大量空腔。1989年，他在《美国化学会志》上发表成果，首次提出这类分子网络的潜力，预言它们将赋予材料前所未有的性质。

理查德·罗布森的灵感来源于钻石的结构，钻石中的每个碳原子都与其他四个碳原子连接，形成金字塔状的结构。

此后，罗布森陆续合成出多种含空腔的分子网络，并证明这些结构内部的离子可以互换，从而让物质进出。他展示了可按需设计的分子晶体，并提出这种材料可用作催化剂。尽管早期材料脆弱、易分解，被认为“没用”，但罗布森已打开了“分子建筑”的大门。

北川进：让“无用之物”变得有用

20世纪90年代，北川进接过了罗布森探索的火种。他奉行的信条是：“要看到‘无用之物’的用处。”

1992年，北川进构建出一种二维分子材料，分子之间形成可容纳丙酮分子的空腔。虽然功能有限，但这代表一种全新的分子设计思维。他同样用金属离子作为“支点”，以有机分子相连。

1997年，北川进成功构建出一种金属有机骨架，其内部由开放通道相交。

1997年，他的团队用钴、镍、锌离子与4,4′-联吡啶分子搭建出三维MOF结构，形成交错的空腔通道。当他们将材料中的水去除后，这些孔洞仍然稳定，可以吸附和释放甲烷、氧气、氮气等气体而不变形。

面对“已有多孔沸石，为何还要MOF？”的质疑，北川进给出关键答案。他认为，MOF可由多种金属和有机分子构建，功能可定制，并且材料柔韧，能如呼吸般吸附和释放气体。这一定义奠定了MOF的科学基础。

奥马尔·亚吉：为分子积木命名并赋予力量

在大洋彼岸，奥马尔·亚吉延续并拓展了这一理念。

1995年，亚吉正式提出“金属有机框架（MOF）”这一名称，定义了这种由金属节点和有机配体组成、具有规则空腔的晶体结构。

1999年，亚吉构建了一种非常稳定的材料——MOF-5，它具有立方体结构。

随后，他于1999年研发出MOF-5，这是一种极其稳定且空间巨大的框架结构，即使在300℃高温下也不会坍塌。最令人震惊的是其内部表面积：几克MOF-5的内部总面积相当于一个足球场，远超传统沸石。这意味着它能吸附更多气体。

亚吉的团队继续扩展MOF家族，创造出十几种变体，用以储存甲烷、捕获二氧化碳，甚至在沙漠中利用MOF创造了“空中取水”的奇迹：夜晚材料吸附空气中的水汽，白天经太阳加热后释放出液态水，为干旱地区提供取水新途径。

图. MOF-303可在夜间从沙漠空气中捕获水蒸气，次日清晨材料受热后即释放饮用水；MIL-101具有巨型空腔结构，已应用于催化降解污染水体中的原油与抗生素，同时具备储氢与二氧化碳封存功能；UiO-67可吸附水体中的全氟烷基物质，在水体净化与污染物去除领域展现应用前景；ZIF-8正通过实验研究用于从废水中回收稀土元素；CALF-20具有非凡的二氧化碳吸附能力，目前正在加拿大某工厂进行测试；NU-1501经优化可实现常压条件下的氢气储释。氢能虽可作为车辆燃料，但常规高压储氢罐存在爆炸风险。©Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

如今，科学家已设计出数以万计的MOF，它们被用于碳捕集、空气净化、药物递送、能源存储等众多前沿领域。甚至在半导体制造中，也有MOF被用于捕捉或分解剧毒气体。虽然目前大多仍处于小规模应用阶段，但许多公司已开始投资其规模化生产与商业化，部分领域已取得实质性进展。多家公司正在测试可从工厂与发电站废气中捕获二氧化碳的 MOF 材料，以降低温室气体排放。