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一文读懂2025诺贝尔化学奖,啥是金属有机框架 (MOFs) 材料,为啥MOFs可以用于直接空气碳捕集(DAC)?

2025-10-09

2025直接空气碳捕集(DAC)、直接海洋碳捕集(DOC)与生物基CO2技术论坛将于12月19日在成都召开,会议将探讨DAC和DOC示范项目、先进工艺与能耗下降路径,DAC技术路线与关键材料-固态吸附剂、液态溶剂、膜分离和电化学技术,DAC捕集介质的再生方案,DAC与SAF或绿色甲烷的一体化工艺,海水淡化工厂耦合电渗析路线DOC的优势,海上风电+海水制氢+DOC一体化绿色甲醇项目展望,生物质电厂烟气碳捕集技术、设备与成本分析等。


北京时间2025年10月8日下午5点45分许,2025年诺贝尔化学奖重磅公布。瑞典皇家科学院宣布,将2025年诺贝尔化学奖授予北川进(Susumu Kitagawa)、理查德·罗布森(Richard Robson)和奥马尔·亚吉(Omar M. Yaghi),以表彰他们“在金属有机框架材料的开发”方面作出的贡献


金属有机框架材料 (MOFs) 作为一种高度可设计、孔隙度极高的新型材料架构,自上世纪末至本世纪以来在气体吸附/储存、催化、分离、能源材料等多个领域引发深远影响。


诺贝尔委员会在授奖说明中提到,MOFs 可用于“从干旱空气中收集水分、捕捉二氧化碳、储存有毒气体、催化化学反应”等应用,体现其对环境/能源挑战的潜在贡献。


此次授奖也突显了“定制多孔材料/孔结构设计”这一化学 /材料科学的新范式:未来材料可以按需设计孔径、化学功能、稳定性等参数,针对特定应用进行优化。

1. MOF 的基本结构与设计理念

  • 定义
    MOF(Metal-Organic Framework)是一类由金属离子或金属簇(作为“节点”)通过有机配体(linkers)连接成有序网状结构的架构型配位网络(coordination network),其特点是晶体结构中含有永久孔隙

  • 设计原则 / “网状化学”(Reticular Chemistry)
    MOF 设计强调“节点几何 × 配体方向性 × 空间构型”三者组合的可控性。通过选择不同金属中心、不同连接配体、不同连接模式(线性、多臂、多环)等,可以调控孔径大小、孔结构、孔化学环境、稳定性等。

  • 孔隙率 / 比表面积
    MOF 的一个标志性优势是极高比表面积(常见可达数千 m²/g 以上)以及高度孔隙率。少量 MOF 便可拥有很大的表面用于气体吸附。

  • 功能化 / 后修饰
    MOF 的有机配体和金属节点可以后续修饰 — 如引入胺基、羧基、极性基团、催化基团等 — 使其在特定气体吸附 / 选择性 /化学反应中有定制功能。

2. MOF 在气体吸附 / 分离 /储存中的典型应用背景

MOF 已在以下几个方向展示出显著应用前景,这也为其在 DAC 中应用提供基础支撑:

  • 氢气 /甲烷储存:MOFs 被用于储氢 / 储甲烷等,可在低压下吸附大量气体。

  • CO₂ 捕集 / 分离:已在烟气 /工业废气 CO₂ 捕集 /分离中被广泛研究,如胺功能化 MOF、开放金属位 MOF 等。

  • 分离 / 气体纯化(如 CO₂/N₂、CO₂/CH₄ 分离):MOF 的高选择性与可调孔结构在这些分离体系中优势明显。

  • 催化 / 电催化载体:依赖孔隙性与功能化能力,MOF 被用于催化反应 / 电催化反应 (包括 CO₂ 转化反应)

  • 水蒸气捕集 /空气湿度操控:部分 MOF 在水分捕集 /透水 /湿度调控中也有应用(例如从干空气中提水),这与 DAC 应用中的水/湿度干扰是交叉点。


因此,从材料基础到应用背景,MOF 为 DAC 路线提供了坚实的材料基础和设计空间。

3. MOFs 在直接空气碳捕集(DAC)中的应用

在 DAC 路线中,MOF 表现为一种非常有吸引力的材料选择 — 结合其高度可调性、孔结构优势和吸附特性。但要在极低 CO₂ 浓度(约 400 ppm)下实现高效稳定捕集,仍面临多个挑战。

在 DAC 要求下(极低 CO₂ 浓度、可逆脱附、耐久循环、湿度干扰、能耗约束等),MOF 相较于传统材料具有以下潜在优势:

  • 可设计的 CO₂ 吸附 / 解吸特性
    通过选择特定金属节点 /配体 /功能化基团(如胺、羧基、吡咯、吡啶等),可以调节 MOF 对 CO₂ 的结合强度,从而在低浓度下保持足够吸附力,同时在温度或压力摆动下可脱附。

  • 高比表面积与孔容
    MOF 可提供很高的吸附位点密度,即使在极低浓度下也能累计较高捕集量。

  • 可功能化 / 后修饰
    胺功能化 MOF、杂原子掺杂 MOF、多孔 MOF-分子复合体系等,可进一步提高 CO₂/N₂ 选择性、抗湿性、吸附速率等性能。

  • 较温和再生条件
    与传统碱法或某些吸附剂相比,部分 MOF 的再生温度可控制在约 80–120 °C 范围(低温摆动),有利于降低能耗。

  • 材料稳定性提升
    近年来许多新型 MOF 在水/氧/酸碱环境下稳定性有显著提高,使其在实际空气 /湿度条件下有更好适应性。


因此 MOF 在 DAC 路线里被视作一个“可设计吸附剂平台”,具有较大的材料空间优化和路线探索余地。

2025 年诺贝尔化学奖授予 MOF 材料的开发,不仅是一项对基础化学 /材料设计的肯定,也象征 MOF 在应对气候变化、环境治理、能源转换等交叉领域中的重要角色正在被世界更广泛地承认。


2025直接空气碳捕集(DAC)、直接海洋碳捕集(DOC)与生物基CO2技术论坛将于12月19日在成都召开,我们诚挚邀请行业专家作以下主题的演讲


1. 绿色CO2下游展望——SAF、绿色甲醇和绿色化学品

2. 直接空气碳捕集(DAC)与直接海洋碳捕集(DOC)成本分析

3. DAC技术路线:固态吸附剂、液态溶剂、膜分离和电化学技术

4. 全球DAC典型示范项目介绍与各技术路线能耗展望

5. DAC捕集介质的再生方案:温度调节、湿度调节、真空或电化学再生

6. 应用于DAC的固态吸附剂:固态胺、金属有机框架 (MOFs) 、共价有机框架(COFs)、多孔碳材料、碱/碱土金属基吸附剂、变湿吸附剂

7. 应用于DAC的液态溶剂:碱性氢氧化物溶液、胺溶液、离子液体、相变溶剂

8. 膜分离路线DAC——工艺流程设计与先进膜材料开发

9. 直接空气碳捕集(DAC)耦合电解制氢技术研发与中试进展

10. 电化学直接空气碳捕集(DAC)技术成熟度分析

11. DAC和甲烷化技术一体化制绿色LNG

12. DAC制SAF:技术选型与工程设计

13. 电化学直接海洋碳捕集(DOC)技术与工业化示范

14. 海水淡化工厂耦合电渗析路线DOC的优势与发展潜力

15. 海上风电+海水制氢+DOC一体化绿色甲醇项目展望

16. 生物质电厂烟气碳捕集技术、设备与成本分析

17. 生物质电厂富氧燃烧烟气碳捕集的技术挑战

18. 沼气生产与提纯净化制绿色甲烷和绿色CO2