近日，北京建筑大學(xué)王崇臣教授團(tuán)隊(duì)在《中國(guó)化學(xué)快報(bào)》上發(fā)表了一篇前瞻性社論，系統(tǒng)闡述了通過(guò)設(shè)計(jì)MOF超結(jié)構(gòu)以解決環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域關(guān)鍵挑戰(zhàn)的最新策略與未來(lái)藍(lán)圖。該文章指出，MOF超結(jié)構(gòu)有望突破傳統(tǒng)MOF材料的應(yīng)用瓶頸，成為下一代高效環(huán)境修復(fù)材料的有力競(jìng)爭(zhēng)者。

金屬有機(jī)框架材料因其極高的比表面積和可調(diào)的孔道結(jié)構(gòu)，在吸附和催化治理環(huán)境污染物方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而，固有的微孔結(jié)構(gòu)和粉末形態(tài)成為其邁向?qū)嶋H應(yīng)用的“阿喀琉斯之踵”：微孔限制了大分子污染物的傳輸效率、粉末材料堆積密度高，導(dǎo)致嚴(yán)重的內(nèi)擴(kuò)散阻力，限制實(shí)際處理能力。

為解決這些問(wèn)題，研究者們提出了一種新思路：將MOF初級(jí)顆粒作為“積木”，通過(guò)定向組裝，構(gòu)建具有多級(jí)孔道、中空結(jié)構(gòu)的MOF超結(jié)構(gòu)。這種“超級(jí)結(jié)構(gòu)”在保留MOF本身優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，極大地改善了傳質(zhì)效率并提升了材料的機(jī)械穩(wěn)定性。

本文重點(diǎn)綜述了構(gòu)建MOF超結(jié)構(gòu)的多種創(chuàng)新策略（如噴霧干燥、乳液模板法等），并詳細(xì)展示了這些超結(jié)構(gòu)在污染物吸附、催化轉(zhuǎn)化CO?和膜分離等環(huán)境應(yīng)用中的卓越性能。文章強(qiáng)調(diào)，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，MOF超結(jié)構(gòu)不僅能大幅提升污染物去除速率和容量，還具備了傳統(tǒng)粉末MOF所沒(méi)有的易回收性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為環(huán)境修復(fù)提供了全新的解決方案。

• MOF超結(jié)構(gòu)的四種精巧構(gòu)建策略與應(yīng)用
  

(a)噴霧干燥法構(gòu)建分級(jí)多孔球：高效吸附大分子

策略：通過(guò)噴霧干燥技術(shù)，讓含有納米MOF顆粒的液滴快速蒸發(fā)，自組裝成分級(jí)多孔球形超結(jié)構(gòu)。

性能：以此法制備的HP-MIL-101-30對(duì)單寧酸的吸附容量高達(dá)1175 mg/g，遠(yuǎn)超大多數(shù)已報(bào)道的吸附劑。其大孔道允許單寧酸大分子快速擴(kuò)散至內(nèi)部活性位點(diǎn)。

(b)瞬態(tài)Pickering乳液法構(gòu)建磁性中空球：自主運(yùn)動(dòng)的“微馬達(dá)”

策略：利用瞬態(tài)Pickering乳液法，構(gòu)建了具有多層中空球狀結(jié)構(gòu)的Fe?O?@NH?-UiO-66。

性能：該材料可進(jìn)一步設(shè)計(jì)為氣泡驅(qū)動(dòng)的微馬達(dá)，在無(wú)需外部機(jī)械攪拌的情況下，對(duì)甲基橙和Cr(VI)的去除率分別達(dá)到94% 和91%，實(shí)現(xiàn)了自主運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化污染物去除。

(c)“硬”模板界面超組裝構(gòu)建二維納米片：高效催化“變廢為寶”

策略：采用“硬”乳液誘導(dǎo)界面超組裝策略，制備了二維分級(jí)多孔UiO-66-NH?納米片。

性能：在催化CO?與環(huán)氧化物環(huán)加成反應(yīng)中，環(huán)狀碳酸酯產(chǎn)率高達(dá)96%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)微孔和介孔晶體，這得益于其高度開(kāi)放的孔道和充分暴露的活性位點(diǎn)。

(d, e)聚合誘導(dǎo)自組裝構(gòu)建柔性MOF膜：高性能染料分離

策略：通過(guò)聚合誘導(dǎo)自組裝策略，利用聚合物納米粒子作為多價(jià)連接體，引導(dǎo)UiO-66形成均勻的MOF膜。

性能：所得MOF膜具備優(yōu)異的膠體穩(wěn)定性和機(jī)械柔韌性，在染料分離中，對(duì)目標(biāo)染料的截留率超過(guò)93%，同時(shí)保持較高的水通量。

MOF超結(jié)構(gòu)的研究已從合成階段逐步推進(jìn)至環(huán)境修復(fù)應(yīng)用階段，展現(xiàn)出巨大潛力。面向未來(lái)，作者提出了以下幾點(diǎn)展望：

• 功能集成化：探索將導(dǎo)電、光催化、熒光等不同功能的MOF集成，構(gòu)建雙/多組分超結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多功能協(xié)同應(yīng)用。

• 合成智能化：利用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，對(duì)復(fù)雜的合成參數(shù)進(jìn)行建模、優(yōu)化與預(yù)測(cè)，大幅降低研發(fā)成本與時(shí)間。

• 應(yīng)用拓展與機(jī)理深挖：積極拓展MOF超結(jié)構(gòu)在環(huán)境領(lǐng)域的新應(yīng)用，并結(jié)合原位表征技術(shù)，深入理解環(huán)境因素對(duì)其性能的影響機(jī)制，厘清“結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用”關(guān)系。

• 推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化：發(fā)展低成本、規(guī)?；暮铣杉夹g(shù)與專(zhuān)用設(shè)備，是推動(dòng)MOF超結(jié)構(gòu)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H工程應(yīng)用的關(guān)鍵。

文獻(xiàn)信息

Z.-B. Wang, L. Zhang, X. Du, C.-C. Wang, Engineering MOF superstructures for enhanced environmental applications, Chin. Chem. Lett. (2025) 112070.

DOI: 10.1016/j.cclet.2025.112070

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