2025诺奖视角下的MOF 合成革新：微波合成技术在MOF中的应用

2025诺奖视角下的MOF 合成革新：微波合成技术在MOF中的应用

2025 年诺贝尔化学奖授予金属有机框架（MOFs）相关研究，再次印证了这种 “多孔晶体明星材料" 的巨大潜力。MOFs 凭借其可设计的拓扑结构、超高比表面积与可调孔隙率，正颠d覆气体吸附、催化、药物递送等领域，而这一切的基础，始于对其合成机制的深度掌控 —— 微波辅助合成技术，正以高效、精准的优势，成为 MOFs 制备的核心手段。

图1.Discover2.0产品示意图

一、 解密 MOFs：从结构原理到核心应用

1. MOFs 的结构本质：无机 - 有机 “分子积木"

MOFs 是由无机金属节点（如 Cu²⁺、Zn²⁺、Al³⁺等金属离子或金属簇）与有机连接体（如苯三甲酸（BTC）、对苯二甲酸（BDC）等多齿配体）通过配位键组装形成的多孔 crystalline 材料。其独特之处在于：

·       拓扑多样性：金属节点的配位数、有机连接体的长度与构型可灵活调整，理论上能构建无限种三维框架结构，如 HKUST-1（Cu₃(BTC)₂）的立方结构、MOF-5（Zn₄O (BDC)₃）的立方多孔结构等。

·       超高孔隙率：框架间的空隙形成规则孔道，部分 MOFs 的孔隙率可达 90% 以上，比表面积最高能达到 7800 m²/g（如 DUT-60），相当于 1 克材料可覆盖 2 个足球场的面积。

·       结构可调控性：通过改变金属节点、有机连接体或合成参数（如 pH、温度），可精准调控 MOFs 的孔径（0.3-10 nm）、形貌（立方体、八面体、纳米片等）与功能位点，适配不同应用场景。

2. MOFs 的核心应用：从基础科研到产业落地

凭借结构优势，MOFs 已在多个领域展现出不可替代的价值，也是其斩获诺奖的关键原因：

·       气体吸附与分离：超高比表面积使其成为 CO₂捕获、H₂储存的理想材料，例如 ZIF-8（沸石咪唑酯框架）可高效分离天然气中的甲烷与乙烷，HKUST-1 能选择性吸附 CO₂。

·       催化领域：金属节点可作为活性位点，有机连接体可引入功能基团，使 MOFs 成为多相催化的优良载体或催化剂。例如 MIL-100 (Fe) 可催化苯甲醇氧化反应，NH₂-MIL-125 (Ti) 能用于光催化 CO₂还原。

·       药物递送：多孔结构可负载药物分子（如抗癌药物阿霉素），通过 pH、温度等刺激响应实现药物缓慢释放，降低毒副作用。

·       传感与能源：部分 MOFs 具有荧光特性，可用于检测重金属离子或有机污染物；同时，MOFs 衍生材料在电池电极、超级电容器等能源领域也展现出潜力。

二、 MOFs 的常规合成方法：挑战与局限性

传统 MOFs 合成以 “热驱动" 为主，核心是通过加热使金属前驱体与有机连接体在溶剂中发生配位反应，主要包括以下 3 类方法，但均存在显著局限：

1. 溶剂热 / 水热法：经典但效率低下

·       原理：将金属盐、有机配体与溶剂（如 DMF、水、乙醇）混合后密封于反应釜中，在 100-220℃下加热数小时至数天，通过溶剂的高温高压环境促进晶体生长。

·       局限：

o       反应周期长：例如 MOF-5 的传统溶剂热合成需 4 小时以上，MIL 系列材料甚至需 24 小时，难以满足高效科研需求；

o       颗粒不均：局部过热易导致晶体过度生长，如 Cu-BTC 在 180℃下易形成 38μm 以上的粗大颗粒，且尺寸分布偏差可达 20%；

o       结晶度波动：高温下易产生杂质（如 Cu₂O），或因溶剂挥发导致框架缺陷，影响材料性能。

2. 电化学法：适用于薄膜但普适性低

·       原理：以金属电极（如 Cu 箔、Zn 箔）为金属源，通过施加电压使金属离子溶解，与电解液中的有机配体在电极表面配位生成 MOFs 薄膜。

·       局限：主要用于制备 MOFs 薄膜材料，难以合成粉末状或块状 MOFs，且对电极材料、电解液体系的选择要求高，普适性差。

3. 机械化学法：无溶剂但形貌难控

·       原理：通过球磨、研磨等机械力作用，使金属前驱体与有机配体在固态下直接反应，无需溶剂参与。

·       局限：机械力易导致晶体结构破坏，难以形成规整形貌的 MOFs，且产物易团聚，需额外处理以分散颗粒。

三、微波辅助合成：MOFs 制备的 “效率革命"

面对传统方法的局限，微波辅助合成凭借快速、均匀、精准的优势，成为 MOFs 合成的革新方向，这一技术在文献中被多次证实其核心价值。

微波是频率 300 MHz-300 GHz 的 electromagnetic 辐射，其作用于 MOFs 合成的关键在于：

·       体相加热：微波可直接与反应体系中的极性分子（如 DMF、水）或离子作用，使分子快速偶极振动产生热量，实现体系 “整体均匀升温"，避免传统加热的 “热梯度" 问题；

·       调控成核动力学：快速升温可在短时间内达到反应临界温度，促进大量均匀晶核同步形成，抑制晶体过度生长；同时，微波能量可加速金属离子与有机配体的配位反应，缩短晶核生长周期。

图2.Discover 2.0产品图

2. 微波合成 MOFs 的显著优势（文献实证）

图3.文献摘要（doi.org/10.1016/j.cis.2023.102864）

·       大幅缩短反应时间：MOF-5 的微波合成仅需 30 分钟，相较于传统回流法（4 小时）效率提升 8 倍；MIL-88B-Fe 的微波合成 1 小时产量，与溶剂热法 4 小时相当。

·       优化形貌与尺寸：微波促进均匀成核，使 MOFs 颗粒更小且分布更窄。例如 MOF-5 经微波合成后为 5-10μm 的规整立方体，而传统方法易形成 500μm 以上的不规则颗粒；Co-MOF-74 的微波合成产物为长 50μm、宽 8μm 的六边形柱状颗粒，远小于溶剂热法的 300μm×70μm。

·       提升结晶度与纯度：均匀加热减少局部过热导致的杂质生成，如 Cu-BTC 在 140℃微波合成下结晶度高，且 Cu₂O 杂质含量比溶剂热法降低 60% 以上；同时，微波可减少晶体表面缺陷，使 HKUST-1 的比表面积保持在 1200-1500 m²/g 的高水平。

·       协同调控功能：微波可与表面活性剂、调节剂等协同作用，实现更精准的形貌控制。例如在 SDS（十二烷基硫酸钠）存在下，微波温度从 120℃升至 160℃，Co-MOF 可从纳米片转变为多层微立方体；加入月桂酸后，HKUST-1 可从八面体逐步转变为立方体。

3. 典型案例：微波合成 MOF-5 的工艺突破

文献中详细对比了微波法与传统方法合成 MOF-5 的差异：

·       传统溶剂热法：以 Zn (NO₃)₂和 BDC 为原料，DMF 为溶剂，105℃回流 4 小时，产物为 500μm 以上的不规则颗粒，比表面积约 1800 m²/g，且存在部分无定形杂质；

·       微波辅助法：相同原料与溶剂体系下，105℃微波加热 30 分钟，产物为 5-10μm 的规整立方体，XRD 衍射峰尖锐（2θ=6.8°、11.8° 处峰强度提升 30%），比表面积达 2566-2684 m²/g，且无明显杂质峰，性能显著优于传统方法。

4. Discover 2.0产品参数&核心技术优势

图4.Discover2.0产品参数

图5.Discover2.0产品核心技术优势

以及目前最zh 好的测温技术-iWave技术

四、总结：微波技术开启 MOFs 合成的 “精准时代"

MOFs 的诺奖之旅，本质是材料设计与合成技术协同进步的历程。传统合成方法因效率低、可控性差，难以满足 MOFs “精准设计" 的需求；而微波辅助合成凭借体相加热、快速成核的优势，不仅解决了传统方法的核心痛点，更实现了 “形貌 - 尺寸 - 结晶度" 的全链条调控。

正如文献所强调，微波技术不仅是 “缩短反应时间的工具"，更是 “调控 MOFs 性能的核心手段"—— 它让 MOFs 的合成从 “经验摸索" 走向 “精准可控"，为 MOFs 在气体吸附、催化、能源等领域的应用奠定了基础。未来，随着微波设备的智能化升级（如精准控温、多参数适配），这一技术将进一步推动 MOFs 从实验室走向产业化，持续释放 “多孔晶体" 的革命力量。

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