MOF的商业应用是否已迎来拐点
在美国化学会的CAS Insights 栏目(2024-12-05)中编者就MOF材料的应用进行了总结，并就其商业应用前景发表了预测性意见。
MOFs 由金属离子或金属簇与通过配位键相互连接的有机连接体构成，形成一种多孔晶体材料。自 20 世纪 90 年代由 Omar M. Yaghi 博士及其团队发现以来，已合成了近 9 万种 MOFs，还有数十万种处于预测阶段。
MOFs 主要由过渡金属和含有羧酸盐、吡啶基、磺酸盐、氰化物等官能团的有机连接体组成。金属簇中的金属离子与有机连接体的组合多样，造就了 MOFs 的丰富种类，它们可有不同的孔径、孔形以及化学和物理性质。
MOFs 的比表面积是所有材料中报道的最高值，可达 7000 m²/g，预计可达 14600 m²/g，还具备高孔隙率和可调节的化学功能。不过这种模块性质也使得预测其结构 - 性能关系并为特定应用选择合适的 MOF 颇具挑战，先进技术或许是应对此挑战的关键。
MOF 相关的出版物数量在短短几年内急剧上升。尽管大多数出版物发表于期刊，但专利出版物的增长表明该技术的广泛商业化即将来临，这可能意味着在脱碳、清洁水获取、传感器、药物递送系统等方面即将迎来关键突破。
MOF材料的应用前景
1、气体分离与存储
MOFs 的高比表面积、孔隙率与可调节化学性质相结合，使其具备吸附气体和挥发性有机化合物（VOCs）的能力，尤其在二氧化碳气体分离与存储方面吸引了极大关注，有望在碳捕获技术中发挥重要作用，对降低工业排放、控制全球变暖至关重要。埃克森美孚、阿卜杜拉国王科技大学等已就 MOFs 相关的碳捕获和气体分离申请专利，初创公司如 Nuada 也在探索其帮助水泥制造商捕获二氧化碳的方法。
2、能源存储
MOFs 正被研究用作锂离子电池的正极和负极材料，因其大表面积也被探索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火车。
3、催化
MOFs 的表面积以及由其模块组成带来的活性位点或化学功能选择，使其适用于催化应用，这对燃料电池、水电解等储能与转换技术很重要。一项研究发现，源自 MOFs 的氮掺杂碳纳米管相较于其他电催化剂表现出更高的电催化活性与稳定性。
4、除湿与大气水收集
MOFs 的吸附能力可用于空调除湿以及从空气中生成水（即大气水收集），这对缺乏清洁水源地区开发清洁水供应至关重要。加州大学董事会已在专利分析中探索 MOFs 用于水和空气净化以及水收集。
5、生物医学应用
MOFs 的独特结构使其能通过如连接体发射、配体 - 金属电荷转移、金属 - 配体电荷转移等多种途径发光，这促使其用于基于发光的传感器，尤其作为生物传感器，因其低毒性和可生物降解特性。其发光特性及容纳其他发光纳米颗粒的能力也推动了 MOFs 在生物医学成像中的应用，研究人员还在探索其用于药物递送系统，这是纳米技术在体内更有效递送药物的一个有前景领域。
本文总结了MOF材料的在上述各个应用领域的专利文献如下：
1、吸附分离（ADSORPTIVE SEPARATION）
1) 气体分离（Gas separation）：相关专利数量为 3108，占比 20 - 30%。
2) 水净化（Water purification）：专利数量 1594，占比 10 - 20%。
3) 蒸汽吸附（Vapor sorption）：专利数量 1653，占比 10 - 20%。
4) 大气水收集（Atmospheric water harvesting）：专利数量 209，占比 0 - 10%。
5) 除湿（Dehumidification）：专利数量 121，占比 0 - 10%。
6) VOC 污染控制（VOC pollution control）：专利数量 626，占比 10 - 20%。
7) HVAC（暖通空调）：专利数量 9，占比 0 - 10%。
2、生物医学（BIOMEDICAL）
1) 药物输送（Drug delivery）：专利数量 3355，占比 20 - 30%。
2) 光动力 / 放射治疗（Photodynamic/radio therapy）：专利数量 905，占比 0 - 10%。
3) 医学成像（Medical imaging）：专利数量 1910，占比 10 - 20%。
3、膜（MEMBRANES）
1) 水净化（Water purification）：专利数量 539，占比 0 - 10%。
2) 气体分离（Gas separation）：专利数量 1709，占比 10 - 20%。
4、传感器（SENSORS）
1) 光学传感器（Optical sensors）：专利数量 2226，占比 10 - 20%。
2) 电化学传感器（Electrochemical sensors）：专利数量 1985，占比 10 - 20%。
3) 生物传感器（Biosensors）：专利数量 2340，占比 10 - 20%。
5、催化（CATALYSIS）
1) 电催化剂（Electrocatalysts）：专利数量 9050，占比 20 - 30%。
2) 光催化剂（Photocatalysts）：专利数量 9527，占比 20 - 30%。
3) 非均相热催化剂（Heterogeneous thermal catalysts）：专利数量 5444，占比 10 - 20%。
4) 人工酶 / 纳米酶（Artificial enzymes / Nanozymes）：专利数量 1011，占比 0 - 10%。
5) 催化剂载体（Catalyst supports）：专利数量 7009，占比 10 - 20%。
6、能源存储（ENERGY STORAGE）
1) 锂电池（Lithium batteries）：专利数量 2758，占比 10 - 20%。
2) 超级电容器（Supercapacitors）：专利数量 2969，占比 10 - 20%。
7、气体存储（GAS STORAGE）
1) 二氧化碳存储（CO₂ storage）：专利数量 25829，占比 20 - 30%。
2) 氢气存储（H₂ storage）：专利数量 1605，占比 10 - 20%。
3) 甲烷存储（Methane storage）：专利数量 332，占比 0 - 10%。
4) 乙炔存储（Acetylene storage）：专利数量 51，占比 0 - 10%。
8、其他（OTHERS）
1) 微机电系统（MEMS）：专利数量 70，占比 0 - 10%。
2) 摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerators）：专利数量 102，占比 0 - 10%。
3) 发光二极管（LEDs）：专利数量 672，占比 0 - 10%。
4) 牺牲模板（Sacrificial templates）：专利数量 2780，占比 10 - 20%。
5) 磁学（Magnetism）：专利数量 8024，占比 20 - 30%。
凭借其所有潜在应用，MOFs 正在推动一些极具挑战性的科学领域取得重要突破。近期 AI 和机器学习的进步使得对这些材料的筛选与评估更快、更便捷，这意味着更多进展与商业用途可能即将到来。
Are metal-organic frameworks at a commercial tipping point?
文章作者：Magesh Ganesan
文章链接：https://www.cas.org/resources/cas-insights/metal-organic-frameworks
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