综述：镧系金属有机框架中f轨道：开启腐蚀防护、能量存储与智能传感的多功能应用

本综述系统阐述了镧系金属有机框架（Ln-MOFs）中f轨道的独特电子特性如何赋能材料多功能化。文章详述了Ln-MOFs的合成策略（如溶剂热法）、结构特性（高比表面积、可调孔隙）及其配位化学基础，重点剖析了4f轨道屏蔽效应赋予的持久磁矩与特征发光光谱。综述核心聚焦Ln-MOFs在三大领域的应用：作为缓蚀剂纳米容器或自愈合涂层用于腐蚀防护；凭借高比表面积和结构稳定性应用于超级电容器与电池；利用长寿命发光、窄发射带特性实现高灵敏传感。文章为关联镧系配位化学与材料功能化提供了设计见解。

　　

合成方法

镧系金属有机框架（Ln-MOFs）的物理化学性质高度依赖于其合成路径。传统方法如溶剂热法和水热法通过控制温度与压力条件引导晶体成核生长。新兴合成策略包括声化学法（利用超声波能量）、微波辅助法（加速反应动力学）及机械化学法（固态研磨），这些方法在调控MOFs的稳定性、孔隙率与结晶度方面各具优势，为定向构建功能化Ln-MOFs提供了多样化工具箱。

配位化学基础

Ln-MOFs的独特性能源于镧系离子（Ln³⁺）的配位特性。相较于过渡金属，镧系离子具有更大的离子半径、灵活的配位数（6-12）及以静电作用为主的4f轨道相互作用。其f轨道受外层电子有效屏蔽，减弱了配体场与环境扰动，从而保留了镧系离子固有的磁矩与发光特性。这种屏蔽效应是Ln-MOFs呈现明亮、窄带发光光谱与持久磁性响应的结构基础，为其多功能应用奠定了化学根源。

镧系MOFs特性

以铈（Ce）、镧（La）、钕（Nd）、镨（Pr）、铽（Tb）等为代表的镧系金属构成的MOFs，通过有机连接体与金属节点的协同，形成了兼具高孔隙率与可调功能的杂化材料。其结构多样性源于镧系离子的可变配位几何与有机配体的空间构型组合，使材料在腐蚀防护、催化及传感等领域展现出巨大应用潜力。

应用领域

在腐蚀防护方面，Ln-MOFs作为纳米填料嵌入有机涂层可显著提升屏障效应；其孔隙结构可作为缓蚀剂载体，实现损伤触发的自愈合功能。在能量存储领域，Ln-MOFs的高比表面积与稳定框架为超级电容器和电池电极提供了快速的离子扩散路径与循环稳定性。在智能传感中，Ln-MOFs的长发光寿命与锐利发射峰使其能够高选择性识别特定分析物，如环境污染物或生物分子。

关键视角：局限性与挑战

尽管Ln-MOFs前景广阔，其实际应用仍面临稳定性差异大、规模化制备困难等挑战。例如，Ce-MOF/石墨烯（GO）复合材料在环氧涂层中可保持10¹⁰ Ω·cm²以上的阻抗值超过7周，而部分ZIF-8基材料在潮湿环境中易发生降解。此外，不同研究中对同类材料性能的报告存在矛盾，需进一步统一评价标准。

未来展望

未来Ln-MOFs将向规模化、多功能集成系统发展。腐蚀防护涂层可融合自修复与实时诊断功能；传感平台有望开发为便携式多信号检测设备；能量存储材料需兼顾高容量与界面稳定性。通过理性设计配体与金属节点，Ln-MOFs或将在生物医学与环境监测等跨学科领域实现突破。

结论

Ln-MOFs通过精准调控f轨道特性与框架结构，成为解决腐蚀防护、能源与传感技术难题的有力平台。其结构可设计性与功能多样性为开发新一代智能材料提供了广阔空间，未来研究需聚焦于稳定性提升与实用化场景拓展。