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(xué)獎(jiǎng)

發(fā)布于： 2025-10-10 16:45

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2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉：三位科學(xué)家因開(kāi)創(chuàng)金屬有機(jī)框架材料（MOF）獲獎(jiǎng)

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

三位獲獎(jiǎng)?wù)邉?chuàng)造了一種具有巨大空間的分子結(jié)構(gòu)，使氣體和其他化學(xué)物質(zhì)能夠在其中流動(dòng)。這些結(jié)構(gòu)被稱為金屬有機(jī)框架（metal-organic frameworks，簡(jiǎn)稱 MOF），可用于從沙漠空氣中提取水分、捕獲二氧化碳、儲(chǔ)存有毒氣體，或催化化學(xué)反應(yīng)。

三位獲獎(jiǎng)?wù)甙l(fā)展出一種全新的分子結(jié)構(gòu)架構(gòu)形式。在他們的設(shè)計(jì)中，金屬離子充當(dāng)“角石”，由長(zhǎng)鏈有機(jī)（以碳為基礎(chǔ)的）分子相互連接。金屬離子與有機(jī)分子共同組裝成具有大量空腔的晶體結(jié)構(gòu)。這種多孔材料被稱為金屬有機(jī)框架（MOF）。通過(guò)改變 MOF 所采用的構(gòu)筑單元，化學(xué)家可以定向設(shè)計(jì)出能夠捕獲和儲(chǔ)存特定物質(zhì)的材料。MOF 還可以驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)或?qū)щ姟?/span>

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

如果一名房地產(chǎn)中介負(fù)責(zé)推銷分子世界的房產(chǎn)，他或許會(huì)說(shuō)：“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(shí)存在。它們是由科學(xué)家精心設(shè)計(jì)的分子建筑——金屬有機(jī)框架（MOF）。今年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予日本科學(xué)家北川進(jìn)、澳大利亞科學(xué)家理查德·羅布森和美國(guó)科學(xué)家奧馬爾·亞吉，以表彰他們?cè)贛OF材料開(kāi)發(fā)方面的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)。

這種新型分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部擁有大量空腔，分子可在其中自由進(jìn)出。得益于三位科學(xué)家的工作，化學(xué)家如今已能設(shè)計(jì)出數(shù)以萬(wàn)計(jì)的不同MOF，為化學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)一連串“奇跡”。

理查德·羅布森：“分子建筑”靈感源自一節(jié)化學(xué)課

科學(xué)發(fā)現(xiàn)常始于“跳出框架”的思考。2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的故事，源自一節(jié)普通的化學(xué)課準(zhǔn)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(xué)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(xué)特性自行連接，能否構(gòu)建出新的“分子建筑”？

直到十多年后，他終于動(dòng)手驗(yàn)證這一想法。羅布森將帶正電的銅離子與四臂分子相結(jié)合，結(jié)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(jié)構(gòu)，不同的是，這種晶體內(nèi)部竟有大量空腔。1989年，他在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上發(fā)表成果，首次提出這類分子網(wǎng)絡(luò)的潛力，預(yù)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(lái)源于鉆石的結(jié)構(gòu)，鉆石中的每個(gè)碳原子都與其他四個(gè)碳原子連接，形成金字塔狀的結(jié)構(gòu)。

此后，羅布森陸續(xù)合成出多種含空腔的分子網(wǎng)絡(luò)，并證明這些結(jié)構(gòu)內(nèi)部的離子可以互換，從而讓物質(zhì)進(jìn)出。他展示了可按需設(shè)計(jì)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(rèn)為“沒(méi)用”，但羅布森已打開(kāi)了“分子建筑”的大門。

北川進(jìn)：讓“無(wú)用之物”變得有用

20世紀(jì)90年代，北川進(jìn)接過(guò)了羅布森探索的火種。他奉行的信條是：“要看到‘無(wú)用之物’的用處。”

1992年，北川進(jìn)構(gòu)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(shè)計(jì)思維。他同樣用金屬離子作為“支點(diǎn)”，以有機(jī)分子相連。

1997年，北川進(jìn)成功構(gòu)建出一種金屬有機(jī)骨架，其內(nèi)部由開(kāi)放通道相交。

1997年，他的團(tuán)隊(duì)用鈷、鎳、鋅離子與4,4′-聯(lián)吡啶分子搭建出三維MOF結(jié)構(gòu)，形成交錯(cuò)的空腔通道。當(dāng)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?dú)獾葰怏w而不變形。

面對(duì)“已有多孔沸石，為何還要MOF？”的質(zhì)疑，北川進(jìn)給出關(guān)鍵答案。他認(rèn)為，MOF可由多種金屬和有機(jī)分子構(gòu)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(xué)基礎(chǔ)。

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(jī)框架（MOF）”這一名稱，定義了這種由金屬節(jié)點(diǎn)和有機(jī)配體組成、具有規(guī)則空腔的晶體結(jié)構(gòu)。

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

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(jié)構(gòu)，即使在300℃高溫下也不會(huì)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(dāng)于一個(gè)足球場(chǎng)，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)沸石。這意味著它能吸附更多氣體。

亞吉的團(tuán)隊(duì)繼續(xù)擴(kuò)展MOF家族，創(chuàng)造出十幾種變體，用以儲(chǔ)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(yáng)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(jié)構(gòu)，已應(yīng)用于催化降解污染水體中的原油與抗生素，同時(shí)具備儲(chǔ)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(lǐng)域展現(xiàn)應(yīng)用前景；ZIF-8正通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行測(cè)試；NU-1501經(jīng)優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)常壓條件下的氫氣儲(chǔ)釋。氫能雖可作為車輛燃料，但常規(guī)高壓儲(chǔ)氫罐存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)。©Johan Jarnestad/瑞典皇家科學(xué)院

如今，科學(xué)家已設(shè)計(jì)出數(shù)以萬(wàn)計(jì)的MOF，它們被用于碳捕集、空氣凈化、藥物遞送、能源存儲(chǔ)等眾多前沿領(lǐng)域。甚至在半導(dǎo)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(yīng)用階段，但許多公司已開(kāi)始投資其規(guī)?；a(chǎn)與商業(yè)化，部分領(lǐng)域已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。多家公司正在測(cè)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。

一些科學(xué)家認(rèn)為，MOF潛力巨大，有望成為“21世紀(jì)的材料”。無(wú)論未來(lái)如何，通過(guò)MOF的開(kāi)發(fā)，三位科學(xué)家為我們提供了解決能源、環(huán)境與健康等重大問(wèn)題的新途徑，而這正契合了諾貝爾遺囑中“造福人類”的精神。

獲獎(jiǎng)?wù)吆?jiǎn)介

他們的分子結(jié)構(gòu)中，蘊(yùn)藏著“化學(xué)反應(yīng)的房間”