生成具有特定性质材料的能力正在改变储能和生物医学等领域的可能性。金属有机框架（MOFs）就是一种在开发特定结构和性质方面具有无限潜力的材料。得益于过去 20 年来对这些材料研究的增长，它们现在有望推动从气体分离和储存到 催化 以及生物医学传感器等领域的突破。
2025 年诺贝尔化学奖 于 2025 年 10 月 8 日宣布 ，旨在表彰与金属有机框架（MOFs）相关的研究，这是一种具有可调结构和高比表面积的革命性多孔晶体材料。MOFs 的非凡多功能性使其成为解决环境修复、可再生能源、工业催化、医学诊断、药物递送、电子学和传感技术等全球性挑战的适用平台。CAS 的科学家们早已关注 MOFs 一段时间（视频），并认为它确实“具备了诺贝尔奖的水平”。
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MOFs 由金属离子或金属簇与有机连接体通过配位键连接而成，从而形成多孔晶体材料。自 Omar M. Yaghi 博士及其团队在 20 世纪 90 年代发现该材料以来，已合成了近 90,000 种 MOFs，并预测还有数十万种。我们分析了 CAS Content CollectionTM（这是全球最大的经人工收录的科学信息库），以观察 MOFs 在哪些领域产生了重大影响，结果发现 MOF 相关的出版物数量在短短几年内呈爆炸式增长（见图 1）。
尽管大多数出版物发表在期刊上，但专利出版物的增长表明该技术的广泛商业化指日可待。这意味着脱碳工作、清洁水获取等领域即将迎来关键突破， 传感器、药物递送系统等。
什么是金属有机框架？
MOF 主要由过渡金属和含有羧酸盐、吡啶基、磺酸盐和氰化物等官能团的有机连接基团组成（见图 2）。金属簇中的金属离子与有机连接基团的组合各不相同，这正是 MOF 多样性的来源——它们可以具有不同的孔径、孔隙形状以及化学和物理性质。
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MOF 的表面积是目前所有材料中报道最高的，达到 7000 m2/g，预计最高可达 14600 m2/g。它们还具有高孔隙率和可调的化学功能。这种多样性使 MOF 在许多应用中非常有用，但这种模块化特性也使得预测其结构与性质的关系并为特定应用选择合适的 MOF 变得具有挑战性。先进技术可能是应对这一挑战的关键。
人工智能如何推动金属有机框架研究
包括机器学习在内的人工智能方法可以筛选大量现有金属有机框架（MOF），甚至预测新型 MOF 的性质，从而减少识别特定应用所需合适 MOF 的时间和精力。例如，一种用于筛选氢气吸附 MOF 的机器学习方法 被发现 比传统的分子模拟快三个数量级以上。
同样，MOF 的合成通常涉及反复试验的方法，这会消耗大量时间和资源。然而，在另一项研究中，通过以往实验数据训练的机器学习模型来预测计划合成实验的结果，其 成功率达到 89%。
通过比人类研究人员更快地评估 MOF 结构和性质中近乎无限的可能性，人工智能驱动的技术可以促进这些材料从理论走向实际应用。在 CAS Content Collection 中，我们可以看到过去 10 年中 MOF 领域人工智能相关出版物的增长。当我们查看这些人工智能相关文献中排名前 15 位的 CAS 索引概念时，我们发现吸附和分离等主题的关注度正在增加，技术层面也是如此（见图 3）。
金属有机框架在脱碳方面的潜在应用
MOF 性质的多样性使其成为气体存储与分离、催化、储能以及其他支持脱碳工作的应用领域的合适候选材料。图 4 展示了根据 CAS Content Collection 中的出版物，MOF 研究正在进行的众多领域。我们还发现，在能源和气体存储等脱碳相关应用中，专利占比显著。
为什么 MOF 在这些应用中具有如此广阔的前景？其可调控的性质是关键因素：
- 气体分离与储存：高比表面积和孔隙率，结合可调控的化学性质，使 MOF 能够吸附气体和挥发性有机化合物 (VOC)。这引起了气体分离与储存领域的极大兴趣，特别是在 CO2方面。MOF 在碳捕集技术中可能发挥重要作用，这对降低工业排放和控制全球变暖至关重要。
埃克森美孚 (ExxonMobil) 已 申请 了与碳捕集和萘分离相关的 MOF 专利。阿卜杜拉国王科技大学 (King Abdullah University of Science and Technology) 也已 申请 了碳捕集和气体分离方面的专利，Nuada 等初创公司正在探索 MOF 如何协助水泥制造商捕集 CO2。
- 能源储存： MOF 正被研究用作锂离子电池的阴极和阳极材料。由于其巨大的比表面积，它们也被研究用于超级电容器应用。这些储能设备常用于混合动力汽车和列车。
- 催化： MOF 的比表面积以及因其模块化组成而可选择的活性位点或化学功能，使其同样适用于催化应用。这对燃料电池和水电解等能源储存与转换技术至关重要 。一项研究发现，源自 MOF 的氮掺杂碳纳米管表现出 改进 与其他电催化剂相比，具有更高的电催化活性和稳定性。
我们可以在图 5 中看到与这些技术及其他技术相关的专利布局，特别是国际专利分类 (IPC) 代码中的作业 (B) 和电学 (H) 部分：
MOF 应用的其他领域
正是这种结构和性质的多变性，使得 MOF 除了在脱碳领域外，在许多其他领域也展现出广阔的前景。例如，MOF 的吸附能力可用于空调除湿以及从空气中取水，即大气集水技术。这对于在缺乏清洁水源的地区开发清洁供水系统至关重要。我们在专利分析中发现，加州大学董事会一直在 探索 MOF 在水和空气净化以及集水方面的应用。
MOF 的生物医学应用也在不断增长。MOF 独特的结构使其能够通过多种途径表现出发光特性，例如连接体发射、配体到金属的电荷转移以及金属到配体的电荷转移。由于其低毒性和可生物降解的特性，这使其被应用于基于发光的传感器，尤其是生物传感器。
这些发光特性及其承载其他发光纳米粒子的能力，正在推动 MOF 在生物医学成像中的应用。研究人员也在探索将 MOF 用于药物递送系统，这是一个极具前景的领域，旨在应用 纳米技术 更有效地在体内输送药物。
凭借其所有的潜在应用，MOF 正在推动我们一些最具挑战性的科学领域取得重要突破。人工智能和机器学习的最新进展使得这些材料的筛选和评估变得更加快速和简便，这意味着更多的进展和商业应用可能指日可待。
欲了解更多关于金属有机框架的专利活动，请查看 专利聚焦 来自 C&EN
