“多孔材料”繪制中國藍圖，創造美麗新世界

　　 自第一次世界大戰期間被應用于防毒面具，多孔材料便開始走進公眾視野。科學家發現，活性炭內部具有復雜的孔隙結構，具有吸附功能。其中，孔徑大小決定了能進入孔隙內部的分子大小，就像不同身材的人只能通過不同尺寸的門一樣。

　　由于天然材料的孔隙大小、形狀不一，自上世紀40年代開始，科學家開始通過人工合成手段，制造出結構規整的多孔材料。例如，擁有均勻微孔的結晶態硅酸鹽就被用來做高效干燥劑、選擇性吸附劑、催化劑、離子交換劑等，它們也由此被稱為“分子篩”。

　　不過，隨著時間的推移，這類人工合成的多孔材料開始無法滿足人類的需求。

　　近年來，來自化學和材料領域的科學家合成了一種以金屬離子為中心、帶有有機官能團的化合物，即“金屬有機骨架材料”（MOFs）。和傳統的多孔材料相比，該類材料在結構上的優勢使其有望在吸附與分離、儲氫、化學傳感、熒光、催化和生物醫藥等方面發揮作用，堪稱多孔材料的未來之星。

　　2014年，對金屬有機骨架材料的研究已成為化學與材料學領域的熱門方向。中國科學家也在這一領域進行了緊密部署。

　　有機與無機“雜交”

　　上世紀40年代，以人造沸石——分子篩為代表的無機多孔材料被創造出來，至今已在石油、化學工業中獲得重要應用。

　　隨著人類社會的不斷發展，工業應用、能源儲備、生物醫藥等領域產生了新的需求。傳統分子篩結構屬性不易改變的缺陷，使這種材料的應用范圍受到限制。

　　1965年，杜邦公司爆破研究室的研究人員制成一種新型固體材料。這種新的固體材料是一種含有鋅、鎳、鋁和鐵離子的有機聚合物，具有三維網狀結構，熱穩定性很高。

　　如今，許多材料學家把這種新材料看作MOFs的雛形。

　　中科院福建物質結構研究所研究員張健告訴《中國科學報》記者：“美國化學家Omar Yaghi開創了MOFs研究，并由此成為當今世界論文被引用次數最多的科學家之一。”1995年，Yaghi領導的小組在《自然》雜志上報道了一種被命名為“金屬有機骨架”的材料，這成為MOFs研究的開端。

　　張健介紹說，MOFs同時具備無機多孔材料和有機成分的特點，無機成分使其具有定型孔道和特定功能，有機成分則使其結構擁有更大的比表面積并兼具可設計性、孔道尺寸可調節性、孔道表面易功能化等特點。

　　“MOFs作為一類全新的無機—有機雜化多孔材料，通過雜交優勢產生的性能在很多方面遠超目前存在的任何一類多孔材料。”張健說。

　　浙江大學一名從事MOFs研究的學者表示：“這類材料最大的特點就是多孔，而且孔的尺寸是規整的，可以設計。”

　　隨后，各國科學家開始在改變這種多孔材料的孔道大小、穩定性等方面開展諸多研究，更多類型的MOFs被成功合成。

　　近幾年，MOFs研究從盲目合成走上定向化合的軌道。“以前，研究者往往隨機購買有機配體和金屬進行合成。”張健介紹說，隨著認識的逐漸深入，科學家開始根據一定功能對材料進行設計合成，仔細考慮選擇有機配體和無機單元，形成了合成材料從吸附、分離到催化，甚至傳感等功能上的拓展。

　　創造美麗新世界

　　MOFs之所以受到全世界材料學家的青睞，是因為其在基礎研究中體現出來的性能展現出廣闊的應用前景，如溫室氣體二氧化碳的捕集、分離，石油燃料的脫硫，化工原料的分離、純化，環境污染廢氣的處理等。

　　上述浙江大學研究人員介紹說，基于MOFs的結構特點，它可以應用到存儲、傳感材料、分子或離子識別等領域。

　　同時，MOFs還被認為是在解決能源環境氣體分離與儲存問題上最有希望發揮關鍵作用的新興材料之一。

　　科學家認識到，要實現儲氫，第一要對氫氣有較高的存儲容量，第二要對氫氣分子有較大的吸附力。因此，MOFs材料既要有合適的孔道結構，還要有與氫氣分子相互作用強的有機官能團或具有不飽和配位點的金屬中心。

　　在張健看來，這種新型功能體系充分體現了結構與性能之間的相關性以及多種功能之間的協同調控，尤其是促進了化學與材料科學及生命科學的結合，有望在超高純度分離、生物傳導、新型半導體材料、分子磁體以及相關芯片或器件的開發方面帶來革命性的變化。

　　不過，由于MOFs仍處在科學研究的前沿，其產業化尚需時日。上述浙江大學研究人員表示，由于涉及合成上的難題，規模化生產MOFs的成本依舊較高。

　　在全球范圍內，實現MOFs產業化生產的企業并不多。例如，德國Rainer Zietlow公司使用 MOFs供能的天然氣動力汽車，行駛了1500多英里；巴斯夫公司則于2010年開始將無溶劑化生產方法生產的MOFs材料用于天然氣的重型車載儲存，并進行了長距離運輸測試。

　　巴斯夫公司的研究者在1999年閱讀了Yaghi發表于《自然》雜志的文章后開始聯系他，并自那時起一直與這位科學家在MOFs合成方面展開合作。

　　無論如何，面對尚未成熟的市場和技術，研究者對MOFs的未來應用充滿信心。“盡管目前在研發中遇到很多困難，但我們堅信，通過科學家和企業的共同努力，MOFs總有一天會從研發走向實際應用。”張健說。

　　繪制中國藍圖

　　近年來，我國也一直在開展MOFs研究。

　　2012年，國家“973”計劃項目“有機分子基框架多孔材料的前沿研究”啟動。該項目由中山大學牽頭，該校教授蘇成勇擔任首席科學家，聯合中科院福建物質結構研究所、吉林大學等8家國內在該領域極具優勢的科研單位共同開展研究，旨在推動以框架多孔材料的結構設計、可控合成與功能化為目的的晶體工程方法學的發展。

　　中科院福建物構所張健研究小組則在MOF催化材料的設計上取得了多項進展。據《中國科學報》記者了解，他們的研究圍繞類分子篩功能材料的結構模擬與設計合成開展。

　　多年的MOF研究工作讓張健總結出MOF催化材料設計的兩個關鍵。首先，從原理上講，使用催化劑催化化學反應，必須存在活性位點。其次，控制MOF材料孔的形貌、尺寸，使其更適合底物和產物分子，從而提高催化反應的選擇性。

　　研究人員成功合成了多例新型分子篩結構。這一系列工作曾被德國《應用化學》雜志評為熱點論文。

　　近幾年，張健帶領研究小組將MOF類沸石分子的孔徑拓寬到介孔領域，成倍提高了比表面積。他們的研究使這類新材料能實現對較大尺寸分子、純手性分子的選擇性分離和催化。

　　研究人員認識到，MOF材料的研發在科學上仍存在相當大的難度，亟待化學、材料、生物等各領域的科學家進行合作。

　　微議

　　縱觀人類發展史，無論是科技不發達的古代社會，還是科學技術迅猛發展的當今社會，新材料的問世無疑為豐富我們的世界提供了更多可能。

　　因此，一直以來，全世界化學與材料領域的科學家，都在為創造新材料而努力。

　　2014年，化學與材料領域的研究熱點——“金屬有機骨架材料”，正是科學家在創造新材料方面所作出的努力。

　　縱觀歷史，新材料的創造大多以應用前景、創造價值為先導。1965年，MOFs雛形由杜邦公司的研究人員制成。這印證了這樣一個觀點：企業才是新材料創新的主體。隨后的幾十年里，科學家在對孔道結構、有機官能團及金屬中心進行改造時，也著眼于材料的應用。

　　盡管目前MOFs仍處在科學研究的前沿，但由于成本問題，其產業化的步伐尚未邁開。然而，國際上已有大型化學企業看到了這類材料的未來。例如，巴斯夫公司在1999年閱讀了美國化學家Omar Yaghi發表于《自然》雜志的文章后開始聯系他，并自那時起一直與這位科學家在MOFs的合成方面展開合作。

　　不久的將來，在MOFs這一創造未來世界的領域，激烈的競爭將會在全球范圍內展開。此時，我們已經感覺到巴斯夫的摩拳擦掌。

　　而在中國，科學研究的藍圖已經繪制好，科學家在政府的支持下也已先行一步。

　　無論2015年MOFs的基礎研究將帶給我們怎樣的驚喜，我們都期待中國的企業盡快接過創新的接力棒，占據未來技術和市場的制高點。