生成具有特定属性材料的能力，正在改变能源存储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属性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，它们现在有望在气体分离与存储、催化以及生物医学传感器等领域推动突破。
2025年诺贝尔化学奖于2025年10月8日公布，旨在表彰与金属有机框架（MOFs）相关的研究。MOFs是一类具有革命性的多孔晶体材料，其结构可调且具有高比表面积。MOFs卓越的多功能性使其成为应对环境修复、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（视频），并认为它确实“具备了诺贝尔奖的潜质”。
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MOFs由金属离子或金属簇与有机配体通过配位键连接而成，从而形成多孔晶体材料。自20世纪90年代Omar M. Yaghi博士及其团队发现该材料以来，已有近90,000种MOFs被合成，并预测还有数十万种有待发现。我们分析了全球最大的经人工标引的科学信息库——CAS内容合集TM，以观察MOFs在哪些领域产生了重大影响，结果发现MOF相关出版物的数量在短短几年内呈爆炸式增长（见图1）。
虽然大部分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已指日可待。这意味着在脱碳工作、清洁水获取、传感器、药物递送系统等领域，关键突破即将到来。
什么是金属有机框架？
MOFs主要由过渡金属和含有羧酸基、吡啶基、磺酸基和氰基等官能团的有机配体组成（见图2）。金属簇中的金属离子与有机配体的组合方式多种多样，这正是MOFs具有多样性的原因——它们可以具有不同的孔径、孔形以及化学和物理性质。
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MOFs的比表面积是目前已知材料中最高的，最高可达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MOFs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能之间的关系并为特定应用选择合适的材料变得具有挑战性。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的MOFs，甚至预测新型MOFs的属性，从而减少成功识别特定应用所需MOFs的时间和精力。例如，一种用于筛选氢气吸附MOFs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，MOFs的合成通常涉及试错法，这会消耗大量时间和资源。然而，在另一项研究中，基于过往实验数据训练的机器学习模型在预测计划合成实验的结果时，成功率达到了89%。
人工智能驱动的技术能够比人类研究人员更快地评估金属有机框架（MOF）结构和性能的近乎无限的可能性，从而有助于推动这些材料从理论走向实际应用。在 CAS 内容合集中，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。当我们审视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以及技术层面的关注度正在不断提高（见图 3）。
金属有机框架在脱碳领域的潜在应用
MOF 性能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理想候选材料。图 4 展示了根据 CAS 内容合集中的出版物所显示的 MOF 研究涉及的众多领域。我们还发现，在能源和气体存储等脱碳相关应用中，基础专利的占比十分显著。
为什么 MOF 在这些应用中如此具有前景？其可调控的性能是关键因素：
- 气体分离与存储：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（VOCs）。这引起了气体分离与存储领域的极大兴趣，特别是在二氧化碳（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）已申请了涉及碳捕集和萘分离的 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专利，而 Nuada 等初创公司正在探索 MOF 如何协助水泥制造商捕集 CO2。
- 储能： MOF 正被研究用作锂离子电池的正极和负极材料。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。这些储能装置常用于混合动力汽车和列车。
- 催化： MOF 的比表面积以及通过模块化组成所选择的活性位点或化学功能，也使其适用于催化应用。这对于燃料电池和水电解等能源存储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比其他电催化剂更优异的电催化活性和稳定性。
我们可以在图 5 中看到与这些及其他技术相关的专利格局，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
同样的结构和性能可变性使得 MOF 在脱碳工作之外的许多其他领域也极具前景。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。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。在专利分析中，我们发现加州大学董事会一直在探索将 MOF 用于水和空气净化以及集水。
材料研究人员可以使用 CAS SciFinder 搜索材料科学文献，识别支持创新的结构-性能关系和合成方法。
MOF 的生物医学应用也在不断增长。MOF 的独特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。由于其低毒性和生物可降解性，这使其被应用于基于发光的传感器，特别是生物传感器。
这些发光特性及其承载其他发光纳米颗粒的能力，正在推动 MOF 在生物医学成像中的应用。研究人员还在探索将 MOF 用于药物递送系统，这是将纳米技术应用于更有效地在体内输送药物的一个有前景的领域。
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快、更容易，这意味着更多的进展和商业用途可能指日可待。
欲了解更多关于金属有机框架的专利活动，请查看 C&EN 的 专利观察（Eye on Patents）栏目
