2025年10月8日，諾貝爾化學獎授予金屬有機框架（MOFs）領域的三位開拓者，彰顯了該材料在能源與環(huán)境應用中的重大科學價值。

金屬有機框架是由金屬離子或團簇與有機配體通過配位作用自組裝形成的晶態(tài)多孔材料。其結(jié)構(gòu)可類比為“納米級建筑”：金屬節(jié)點作為“連接樞紐”，有機配體作為“支撐支柱”，共同構(gòu)建出具有規(guī)則孔道和可設計結(jié)構(gòu)的三維網(wǎng)絡。作為一種載體材料，MOFs不僅具備多孔材料高比表面積和可控孔隙率的優(yōu)勢，還保留了其有機配體及無機金屬節(jié)點自身的功能，可根據(jù)與負載物間的分子作用力類型對MOFs進行功能化修飾來增強吸附。因此，在氣體吸附與分離、多相催化、離子傳導等領域MOFs展現(xiàn)出廣闊的應用潛力。

以對一氧化碳（CO）分離工藝的促進影響為例，CO是合成乙二醇、醋酸等重要化學品的關鍵原料，傳統(tǒng)制備方法依賴化石燃料，能耗與碳排放較高。而鋼鐵、電石等工業(yè)尾氣中含大量CO，若實現(xiàn)其高效提純與資源化利用，既能提供合成原料，又可降低環(huán)境污染。然而，工業(yè)尾氣中CO常與氮氣（N₂）共存，二者動力學直徑和極性相近，分離難度大。MOFs材料因其孔道結(jié)構(gòu)可精確設計、表面化學環(huán)境可調(diào)，在CO/N₂選擇性吸附方面顯示出獨特潛力，為高效分離提供了新思路。

目前，CO/N₂的分離主要采用深冷分離、溶液吸收和固體吸附三類技術。深冷分離法雖處理量大，但由于CO與N₂沸點接近，需依賴多級精餾實現(xiàn)有效分離，導致工藝流程復雜、設備投資高且能耗巨大；溶液吸收法雖對CO具有較高選擇性，但存在吸收劑性能要求嚴苛。相比之下，固體吸附法中的變壓吸附（PSA）技術通過調(diào)控吸附壓力即可實現(xiàn)CO的高效富集與回收，兼具能耗低、設備簡便、自動化程度高以及操作靈活等優(yōu)勢，在現(xiàn)有CO/N₂分離技術中展現(xiàn)出顯著的應用可行性與經(jīng)濟性。

在PSA工藝中，吸附劑的性能是決定CO/N₂分離效率的關鍵。目前所使用CO專用吸附劑，均是以過渡金屬包括 Cu⁺、Ag⁺、Ni⁺ 等化合物為活性組分，負載在分子篩、活性炭等高比表面積的多空物質(zhì)上形成的固體絡合吸附劑。其原理是CO與一價過渡金屬形成一種作用力介于物理吸附與化學吸附之間的π鍵，可實現(xiàn)對CO的選擇性識別，并能在溫和條件下（如加熱或減壓）實現(xiàn)脫附，從而獲得高純度CO。

近年來，MOFs材料因其結(jié)構(gòu)與功能的可調(diào)性，被視為開發(fā)新型CO吸附劑的理想載體。有研究嘗試將Cu引入MOF孔道制備絡合吸附劑，但由于MOFs熱穩(wěn)定性較差，難以通過熱分散使Cu⁺均勻分布，導致金屬團聚。后續(xù)還原過程中，高溫或還原性氣體易破壞骨架或產(chǎn)生單質(zhì)Cu，造成吸附劑失活。

另有研究發(fā)現(xiàn)，CO可與MOFs骨架中的不飽和金屬位點發(fā)生作用。該類材料對CO的吸附等溫線呈I型，低壓區(qū)因配位作用快速吸附，高壓區(qū)則以范德華力為主，吸附熱隨吸附量增加而降低。然而，該類研究目前仍限于實驗室階段。

在傳統(tǒng)CO專用吸附劑中，由北京北大先鋒公司基于北大化學院謝有暢教授“單層分散”理論開發(fā)的Cu⁺-分子篩吸附劑，是目前市場上能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模工程應用的CO專用吸附劑。自2003年起，該吸附劑及其配套變壓吸附工藝已成功應用于多種工業(yè)尾氣中CO的提純，包括丹化集團半水煤氣、金煤化工水煤氣、天業(yè)集團電石爐尾氣、華菱鋼鐵高爐煤氣、晉南鋼鐵和石橫特鋼轉(zhuǎn)爐煤氣等CO提純項目。該技術于2006年獲國家技術發(fā)明二等獎，這表明其在技術創(chuàng)新性、先進性及應用價值上達到了行業(yè)領先水平，在工業(yè)氣體分離領域已充分具備實際應用基礎。

相比之下，部分MOFs材料雖在實驗室層面表現(xiàn)出優(yōu)異的CO吸附性能，但在實際應用方面仍面臨穩(wěn)定性、機械強度及環(huán)境適應性等挑戰(zhàn)，遠未達到工程化推廣階段。對于CO/N₂分離難題，當前仍需以經(jīng)過工業(yè)驗證的傳統(tǒng)吸附技術為主要解決方案。

科學突破持續(xù)推動工業(yè)技術革新，然而從基礎研究到實現(xiàn)工業(yè)應用往往存在諸多挑戰(zhàn)。北大先鋒公司二十年來在CO/N₂分離領域的成功實踐表明，唯有將科學研究轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力，才能真正賦予技術以生命力。MOFs材料研究獲獎，意味著人們對材料研究發(fā)展進程的關注，MOFs材料以其結(jié)構(gòu)和功能的可調(diào)性，未來可能成為氣體分離領域下一代吸附劑的理想載體。但就目前MOFs材料而言，要實現(xiàn)從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化，仍需在材料穩(wěn)定性、成型工藝與系統(tǒng)工程等方面開展深入攻關。