CCR綜述：“精裝修”金屬有機框架：從形貌調(diào)控到超結(jié)構(gòu)組裝

北京建筑大學(xué)王崇臣教授團隊于2026年1月在Coordination Chemistry Reviews（Q1，IF = 23.5）發(fā)表了題為《Tailoring metal–organic frameworks: From morphological control to superstructure assembly》的綜述論文。該綜述首次從多維視角，系統(tǒng)總結(jié)了金屬有機框架從單晶形貌調(diào)控到組裝形成超結(jié)構(gòu)的前沿方法與研究進(jìn)展，并深入探討了該領(lǐng)域目前面臨的挑戰(zhàn)及相應(yīng)解決策略。論文第一作者為北京建筑大學(xué)2024級博士研究生王志博；論文通訊作者為北京建筑大學(xué)王崇臣教授；共同作者為北京建筑大學(xué)博士研究生楚弘宇和常淼。

自1995年Omar M. Yaghi教授團隊首次提出金屬有機框架（MOFs）概念以來，MOFs材料迅速在環(huán)境修復(fù)、能源存儲與化學(xué)材料等領(lǐng)域掀起研究熱潮。2025年，Susumu Kitagawa、Richard Robson和Omar M. Yaghi三位學(xué)者更是憑借在MOFs材料領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)共同榮獲諾貝爾化學(xué)獎。這份榮譽不僅肯定了MOFs研究的深遠(yuǎn)科學(xué)意義，更凸顯了此類材料在應(yīng)對當(dāng)前技術(shù)挑戰(zhàn)中所具備的變革潛力。

隨著MOFs研究從基礎(chǔ)探索向?qū)嶋H應(yīng)用不斷深入，其關(guān)注焦點已由晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計拓展至微觀形貌的精準(zhǔn)調(diào)控。MOFs的顆粒尺寸、暴露晶面、比表面積及孔隙結(jié)構(gòu)等形貌參數(shù)，對其性能具有決定性影響。與此同時，為突破性能瓶頸并實現(xiàn)功能集成，構(gòu)建MOF超結(jié)構(gòu)已成為重要研究方向。MOF超結(jié)構(gòu)是指以單個MOF顆粒為基本單元，在范德華力、耗盡力或界面誘導(dǎo)力等驅(qū)動下，通過有序組裝形成的高級結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)不僅保留了MOFs的本征性能，還引入了多級孔道、中空結(jié)構(gòu)以及多功能融合等新特性。

本綜述首次嘗試從多維度視角系統(tǒng)闡述MOFs的精確設(shè)計與構(gòu)筑，涵蓋從微觀形貌的定制到超結(jié)構(gòu)的理性組裝，旨在成為一份面向?qū)嶋H研究的“問題解決指南”。在系統(tǒng)闡釋相關(guān)技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，本文還針對合成與組裝過程中的常見挑戰(zhàn)提出了可行性解決方案。期望為MOFs及其衍生結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化與功能強化提供新思路，進(jìn)一步推動其在實際場景中的應(yīng)用。

本文亮點：

1. 提出從多維視角對MOFs進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計的系統(tǒng)框架。

2. 深入探討了控制MOFs形貌的關(guān)鍵因素和機制。

3. 深度探究了MOF超結(jié)構(gòu)的組裝原理和挑戰(zhàn)。

4. 概述了智能化MOFs和多功能超結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展方向。

總結(jié)：

隨著對金屬有機框架（MOFs）材料從單晶到宏觀結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)的日漸成熟，其研究重點正從基礎(chǔ)合成轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用與前沿探索。基于當(dāng)前進(jìn)展，未來MOFs材料的發(fā)展應(yīng)聚焦以下五個關(guān)鍵方向，以實現(xiàn)其向工業(yè)化、功能化和智能化的跨越。

規(guī)模化制備與組裝

MOFs材料及其宏觀結(jié)構(gòu)的可控合成與組裝大多停留在實驗室的間歇式操作，效率有限。面向工業(yè)應(yīng)用，開發(fā)連續(xù)化、高通量的生產(chǎn)體系是當(dāng)務(wù)之急。將現(xiàn)有的合成與調(diào)控技術(shù)，與連續(xù)流反應(yīng)器、噴霧干燥、自動化控制等先進(jìn)工藝結(jié)合，是實現(xiàn)MOFs及其超結(jié)構(gòu)材料可規(guī)模化、可重復(fù)制備的可行路徑。

穩(wěn)定性增強策略

MOFs及其超結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是其走向應(yīng)用的前提。未來研究的核心之一是開發(fā)溫和、高選擇性的模板去除策略，以避免在構(gòu)建多級孔MOFs時因移除模板而造成結(jié)構(gòu)損傷。例如，可設(shè)計高選擇性溶解的新型溶劑，利用超臨界流體技術(shù)進(jìn)行無殘留提取，或采用生物酶法等溫和定向去除模板。同時，需強化超結(jié)構(gòu)整體的機械穩(wěn)定性。通過表面功能化、共價交聯(lián)或聚合物涂層等方式增強顆粒間作用力，但需謹(jǐn)慎設(shè)計以避免堵塞MOFs固有的微孔，在提升穩(wěn)定性的同時保持其孔道特性和傳質(zhì)性能。

多組分與刺激響應(yīng)組裝

現(xiàn)有MOF超結(jié)構(gòu)多由單一組分構(gòu)成，功能受限。未來亟需發(fā)展多組分協(xié)同組裝策略，將具有催化、導(dǎo)電、熒光、磁性等互補功能的MOFs集成，構(gòu)建先進(jìn)多功能材料。此外，在組裝過程中引入刺激響應(yīng)元件（如溫敏聚合物、光致變色分子、pH響應(yīng)基團），將能構(gòu)筑動態(tài)智能系統(tǒng)。結(jié)合光熱轉(zhuǎn)化劑與MOFs前體，甚至可通過遠(yuǎn)程光照實現(xiàn)空間選擇性誘導(dǎo)成核生長，動態(tài)調(diào)控超結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能化設(shè)計

MOFs合成與組裝體系復(fù)雜，亟需從傳統(tǒng)的“試錯法”轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能化開發(fā)范式。應(yīng)用機器學(xué)習(xí)算法，對包含反應(yīng)條件、調(diào)節(jié)劑、模板參數(shù)與最終形貌/性能的大規(guī)模合成數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與建模，可建立定量“構(gòu)效關(guān)系”（QSPR）模型，預(yù)測新系統(tǒng)的結(jié)果。進(jìn)一步，將響應(yīng)面分析法與自動化實驗平臺結(jié)合，形成“合成-表征-分析”閉環(huán)系統(tǒng)，能實現(xiàn)關(guān)鍵工藝參數(shù)的快速優(yōu)化與智能調(diào)控，加速材料研發(fā)進(jìn)程。

性能驗證與機理探究

目前，針對新興形貌MOFs及其超結(jié)構(gòu)的性能評估在實際應(yīng)用場景中仍有不足。未來需要在真實條件下進(jìn)行嚴(yán)格驗證，例如評估其在工業(yè)廢水催化降解中的效率，或量化其在儲能器件中的循環(huán)穩(wěn)定性。同時，深入理解其在外場下的演變機制至關(guān)重要。需大力采用高通量原位表征技術(shù)，如同步輻射、原位X射線衍射、高分辨電鏡等，實時揭示MOFs的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，建立其穩(wěn)定性與形貌、尺寸及缺陷等因素的關(guān)聯(lián)，為設(shè)計高耐久性的應(yīng)用導(dǎo)向型MOFs材料提供理論依據(jù)。

Chang, C.-C. Wang, Tailoring metal–organic frameworks: From morphological control to superstructure assembly, Coord. Chem. Rev. 554 (2026) 217606.

https://doi.org/10.1016/j.ccr.2026.217606

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