获奖者与获奖成果 - 2025年诺贝尔化学奖授予北川进、理查德·罗布森和奥马尔·亚吉，以表彰他们对金属-有机框架发展的贡献 [1] - 三位获奖者创造了一种具有巨大空间的分子结构，使气体和其他化学物质能够在其中流动，这种结构被称为金属有机框架 [2] - 在他们的设计中，金属离子充当"角石"，由长链有机分子相互连接，共同组装成具有大量空腔的晶体结构 [2] - 诺贝尔化学奖评审委员会主席海纳·林克表示，金属有机框架具有巨大的潜力，为定制化的新功能材料带来了前所未有的可能性 [2] MOF材料的核心特性与设计原理 - MOF的核心在于利用金属离子作为连接中心，引导有机配体精确组装形成具有高度有序性的多孔晶体结构 [3] - 通过改变MOF所采用的构筑单元，化学家可以定向设计出能够捕获和储存特定物质的材料 [2] - MOF材料在惰性气氛下经过高温热解处理后，其结构会发生定向塌陷，得到具有特殊形貌和高比表面积的碳基材料 [3] - MOF材料确保了金属离子在碳骨架中的原子级均匀分散或均匀掺杂，使获得的衍生碳材料在储能化学等领域展现出独特优势 [3] - 与通常呈刚性结构的沸石不同，MOFs由柔性分子单元构成，能形成可塑性材料，其行为很像一对"会呼吸的肺" [31][36] MOF材料的关键应用领域 - MOF可用于从沙漠空气中提取水分、捕获二氧化碳、储存有毒气体，或催化化学反应 [2] - 在能源领域，MOF最大的应用价值体现在其作为碳材料和掺杂碳材料的理想模板 [3] - 电子工业已利用MOF材料储存用于半导体制造的有毒气体，另有特定MOF可降解包括化学武器成分在内的有害气体 [41] - 多家公司正在测试可从工厂与发电站废气中捕获二氧化碳的MOF材料，以降低温室气体排放 [41] - 奥马尔·亚吉的研究团队用MOFs在亚利桑那沙漠中成功实现了"收集饮用水"：夜间材料从空气中捕获水蒸气，白天阳光加热后即释放出可收集的液态水 [39] - 亚吉提出一种MOF变体可用于储存大量甲烷气体，这种材料可用于使用压缩天然气燃料的车辆 [39] MOF材料的发展历程与商业化前景 - 基于三位获奖者的工作，全球化学家如今已设计出数万种功能各异的MOF材料 [17] - 理查德·罗布森在1989年发表了突破性的化学发现，他在文中展望未来，指出这项发现或许能为材料构建开辟全新路径 [22] - 1995年，奥马尔·亚吉在《自然》杂志的论文中首次提出"金属-有机框架"这一术语来描述这种材料 [34] - 1999年奥马尔·亚吉发表的MOF-5材料成为了该领域的经典之作，仅仅几克MOF-5的内部表面积就相当于一个足球场 [35][36] - 许多公司已开始投资MOF的规模化生产与商业化，部分领域已取得实质性进展 [41] - 一些研究人员确信金属有机框架蕴藏着巨大的应用潜力，有望成为二十一世纪的代表性材料 [43]