诺贝尔化学奖给了MOF，多孔材料在碳捕集领域的春天来了？

2025年10月8日，瑞典皇家科学院将诺贝尔化学奖授予日本京都大学北川进、澳大利亚墨尔本大学理查德·罗布森和美国加州大学伯克利分校奥马尔·亚吉，以表彰他们在开创并发展“金属有机框架”（MOF） 材料方面作出的突出贡献：

• 罗布森率先提出了MOF分子结构的概念；

• 北川进首次发现可利用金属与有机物形成蜂巢状规则孔洞的多孔材料；

• 亚吉则研制出多种具备实用价值的MOF材料。

△  2025年诺贝尔化学三位得主(从左至右：北川进，理查德·罗布森，奥马尔·亚吉)

这种被诺贝尔化学奖委员会形象地称为“分子建筑”的MOF材料，由金属离子充当“角点”，通过有机分子作为“梁柱”相互连接，形成具备规则整齐且巨大空腔的三维结构，能够高效地捕获、储存或分离特定分子。你可以把它想象成一座在分子级别设计和建造结构精确的“分子公寓楼”，气体或液体等分子可以自由地进出这些“房间”。

MOF材料最引人注目的特点在于其功能可精准定制性。化学家通过选择不同的金属和有机连接物，可以像搭积木一样，通过精确选择金属节点和有机配体，设计出能够精准捕获、储存或分离特定分子的框架材料，实现特异性识别或吸附某种分子的“按需定制”功能。在瑞典皇家科学院的颁奖词中，诺贝尔化学委员会主席海纳·林克指出：“金属有机框架具有巨大的潜力，为定制具有新功能的材料带来了以前无法预见的机会。”

目前金属有机框架材料全球研究进展迅速，已经超越了基础概念的验证，进入了功能深化和应用示范阶段。化学家们已构建出数万种不同的金属有机框架材料，这些材料在从沙漠空气中收集水分、捕获CO₂以减少温室气体、工业气体分离、神经毒剂检测、精准药物递送以及半导体制造等领域展现出巨大的应用潜力。

在瑞典皇家科学院宣布2025年诺贝尔化学奖归属金属有机框架研究的第一时间内，全球科研界的目光已投向这项突破性技术如何在应对气候变化中发挥实际作用，特别是在CO₂捕集领域。虽然MOF材料在CO₂捕获领域展现出巨大潜力，不过其工业化道路仍面临经济性与稳定性的多重挑战。

大多数金属有机框架在水分存在下性能骤降，水汽的存在大幅削弱物理吸附作用，载体在水汽作用下发生降解；同时水蒸气的存在，H₂O与CO₂之间存在竞争吸附，导致MOF对CO₂的吸附性能和选择性显著降低，因此湿度严重限制了它们在工业条件下的应用。尽管有些新型金属有机框架通过氨基化学吸附在95%湿度下保持一定吸附量，但稳定性问题仍未完全解决。

金属有机框架的合成需要高纯度金属盐和有机配体，原料成本较高。其复杂的生产工艺和严格的条件控制也增加了生产成本，使得金属有机框架材料价格昂贵。并且其规模化生产同样面临挑战，目前金属有机框架的规模化合成、成型加工以及再生技术尚不成熟，从实验室的克级到工业应用的吨级跨越仍需攻克众多技术难题，难以在大规模工业场景中与传统材料竞争。

△ 不同形状的MOF材料（图源德国巴斯夫公司）

在金属有机框架因其诺贝尔奖荣誉而备受关注的同时，另一种多孔材料——变湿吸附离子交换树脂，也因其产业化应用潜力而获得更多重视。

变湿吸附离子交换树脂是一种能通过湿度变化来“呼吸”CO₂的智能材料。在常温环境下，利用水的蒸发自由能作为CO₂再生的能量来源，通过改变环境中的水汽分压力可实现CO₂气体的吸附-脱附过程。当环境干燥时捕捉CO₂；当环境变潮湿时将CO₂释放出去。这种基于湿度变化的吸附-脱附循环，使得捕集过程无需高温或高压，极大降低了能耗。 

变湿吸附离子交换树脂在CO₂捕集领域展现出独特优势，尤其适用于低浓度的环境空气以及排放量大的工业烟气。通过调整树脂的骨架结构、活性基团类型或孔隙大小，可以根据不同场景定制化设计针对的材料。

△ 霖和变湿吸附离子交换树脂MSCCM系列材料可以通过调节干湿度捕捉/释放空气中的CO₂

金属有机框架与变湿吸附离子交换树脂都是多孔材料，也都是利用其多孔结构和高比表面积吸附CO₂，但在碳捕集吸附机制有所不同。金属有机框架主要依靠其可调的孔径和开放金属位点特异性吸附CO₂；而变湿吸附离子交换树脂则依靠官能团在纳米界面上的可逆水解反应实现CO₂捕集。

两者主要性能对比见下：

• 稳定性：离子交换树脂在真实工业环境中的耐受性通常优于多数金属有机框架材料。特别是在湿度波动较大的条件下，树脂材料往往能保持较好的结构稳定性和吸附性能。

• 制造成本：离子交换树脂本身已在多个行业规模化应用多年，其生产成本、生产工艺、再生技术和废弃处理都已形成较为完善的体系，更易于在碳捕集领域快速实现规模化生产应用。

   

面对全球气候变化挑战，开发高效、低成本的碳捕集技术已成为当务之急。MOF材料获得诺贝尔奖，无疑将推动多孔材料在碳捕集领域的研发热潮。在两种材料发展中，变湿吸附离子交换树脂以其较低的材料成本、与现有工业体系的兼容性以及稳定可靠的运行方式，使其在大规模碳捕集中显示出更快的产业化前景。金属有机框架材料虽然在性能和功能设计上更具灵活性，但要实现大规模工业应用，仍需解决成本、稳定性和规模化生产等瓶颈问题。

因此，面对碳捕集大规模工业化应用的需求，离子交换树脂在经济性、稳定性和成熟度方面优势明显。全球已有多个离子交换树脂碳捕获示范项目投入运行，处理规模不断扩大。金属有机框架材料则更像一位充满潜力的新星，需要进一步研究解决其稳定性和成本问题。正如诺贝尔化学奖评委邹晓冬所言：“该领域研究正快速发展，全球已有大量科研团队投入其中。”随着MOF材料获得诺贝尔奖的推动，多孔材料在碳捕集领域的发展春天正在到来，未来的碳捕获技术可能会走向多元化路径，不同场景、不同材料和不同技术路线将在互补中共同推动行业进步。