诺贝尔奖化学结构重塑水技术：金属有机框架从边缘走向主流

《Nature Water》：Nobel-winning chemical structures can reshape water technology

本期社论推荐MOFs这一诺贝尔奖获奖材料在水技术领域的革命性潜力。研究人员针对干旱地区缺水及水污染问题，开展了MOFs在大气水收集、水净化及资源回收中的应用研究。结果表明，MOFs凭借其可定制孔结构和催化活性，能高效捕获低湿度大气水并选择性降解污染物，意义在于为循环经济框架下的清洁水倡议提供了关键技术蓝图。

　　

全球水资源短缺和水污染问题日益严峻，尤其在干旱地区，传统的水获取方法如直接空气冷却，不仅能耗高，且在低湿度环境下效率极低。同时，工业发展和人口增长带来了复杂的水体污染，如何高效去除污染物并回收有价值资源成为巨大挑战。在这一背景下，2025年获得诺贝尔化学奖的金属有机框架（MOFs）材料，因其独特的可设计性和卓越的孔隙特性，正从实验室走向实际应用，为水技术领域带来了革命性希望。

MOFs是由金属离子和有机连接体自组装形成的多孔杂化材料，其孔道的形状、尺寸和功能基团均可精确调控，这种分子级别的可设计性使其能够像“智能海绵”一样，特异性地捕获、储存和释放目标分子。正是这种特性，让MOFs在大气水收集、水净化以及资源回收等方面展现出巨大潜力。本研究旨在探讨MOFs如何解决上述水技术难题，并分析其从基础研究到商业化应用的发展路径。相关观点发表于《Nature Water》期刊。

为开展研究，研究人员主要运用了材料合成与结构设计技术，通过调控金属节点和有机配体构建具有特定孔径和功能的MOFs；发展了卷对卷（roll-to-roll）制备工艺以规模化生产MOF膜；并在真实的沙漠环境中进行了大气水收集的试点系统验证，利用太阳能驱动设备演示了实际产水能力。

大气水收集：干旱地区的希望

研究指出，MOFs凭借其优异的吸水和释放性能，极大地推动了大气水收集领域的发展。即使在典型的沙漠低相对湿度条件下，MOFs也能高效捕获水分子，并以低能耗方式释放出可饮用水。Omar Yaghi研究组设计的试点系统已在全球最干旱的环境中证明了其实际可行性，为缺水地区提供了可持续的水源解决方案。

水净化：精准吸附与催化降解

MOFs在净化污染水源方面同样表现出色。其可定制的孔结构和化学功能化使其能够选择性吸附多种污染物。更重要的是，许多MOFs材料本身含有催化活性位点，可以促进污染物的降解反应，从而实现更深度的水处理。

资源回收：从废水中提取价值

MOFs的应用已超越水的获取与净化，展现出在复杂水体系中回收有价值资源的潜力。其结合位点的分子级设计控制能力，使得即使在痕量浓度和存在竞争离子的情况下，也能实现高选择性萃取，这为循环经济中的资源再利用提供了新途径。

气体分离：应对气候变化

除了水相关技术，MOFs在气体分离领域也显示出强大潜力，包括燃烧后碳捕集、直接空气捕获和气体纯化。其可调节的孔隙率和化学功能性使其成为应对环境和资源挑战的多面手。

商业化进程与挑战

MOFs的商业化进程近年来显著加速，特别是在功能器件集成和规模化合成方面。MOF膜的卷对卷制造技术突破，实现了高通量生产，并保持了恶劣操作条件下的优异分离性能和长期稳定性。然而，MOFs的广泛应用仍面临挑战，如生产成本较高以及部分材料在水环境中的稳定性问题。研究人员正致力于开发更具水稳定性的MOF结构和环境友好的合成技术。同时，进行全面的生命周期评估和环境影响研究至关重要，以确保MOFs在解决旧问题的同时不引入新的风险。

综上所述，金属有机框架（MOFs）作为一种功能强大的多孔材料，其能力涵盖从干旱空气中取水、净化污染水源到从废物流中回收有价值物质等多个方面，这使其成为在循环经济框架内推进清洁水计划的关键技术。MOFs不仅是分子结构设计的 triumph，更是构建更清洁、更具韧性星体的蓝图。随着持续的努力和跨学科合作，MOFs在水相关技术中的作用必将持续增长，从曾经的利基材料演变为主流解决方案。