综述：碳基金属有机框架（碳-MOFs）的最新进展：合成与环境应用

这篇综述系统阐述了金属有机框架（MOFs）碳化衍生物（carbon-MOFs）的合成策略与环境应用突破。通过缺陷工程、磁性复合和机器学习（ML）设计，碳-MOFs在染料降解、重金属吸附、CO2 捕获等领域展现出卓越的稳定性与多功能性，为下一代环境修复技术提供了创新解决方案。

　　

引言

工业化进程带来的环境污染物激增，催生了对高效修复材料的需求。传统多孔材料如活性炭和沸石因选择性差、再生性低等缺陷受限，而金属有机框架（MOFs）凭借可调孔径、功能化位点等优势成为研究热点。然而，MOFs的水稳定性差、机械强度低等短板阻碍其实际应用。碳化转化（carbon-MOFs）通过增强化学/热稳定性，成功将MOFs的“晶体脆弱性”转化为“工程化韧性”。

碳-MOFs的设计策略

碳-MOFs的合成分为直接煅烧和间接煅烧两种路径。前者通过高温热解保留MOFs的孔隙结构，后者则通过化学转化引入碳基功能团。例如，ZIF-8衍生的氮掺杂碳材料比表面积达1200 m²
/g，对汞离子吸附量提升3倍。缺陷工程进一步通过创建开放金属位点增强活性，如UiO-66-NH₂
经酸处理后缺陷密度增加，染料降解效率提高40%。

环境应用突破

染料吸附与降解
纺织废水中的甲基橙（MO）和罗丹明B（RhB）可通过磁性Fe₃
O₄
@carbon-MOFs快速吸附并回收，循环5次后效率仍保持90%。光催化方面，TiO₂
/carbon-MOF杂化材料在可见光下对亚甲基蓝（MB）的降解率高达98%，归因于碳层促进的电子转移。

重金属去除
砷（As³⁺
）和铅（Pb²⁺
）的吸附依赖硫醇修饰的碳-MOFs，其螯合作用使吸附容量突破300 mg/g。磁性Co/C复合材料更可实现快速分离，解决传统粉末MOFs的回收难题。

CO₂
捕获与转化
Zn-MOF-74衍生碳材料在25°C下CO₂
吸附量达4.5 mmol/g，且通过铜掺杂将捕获的CO₂
电催化转化为甲酸的法拉第效率提升至80%。

前沿技术融合

机器学习（ML）加速了碳-MOFs的理性设计。通过算法预测孔径与官能团组合，ML模型将材料筛选时间从数月缩短至数天。例如，基于随机森林算法优化的碳-MOFs对Cr⁶⁺
的吸附性能预测误差仅5%。

未来展望

绿色合成路径（如生物模板法）和生物启发设计（仿生孔隙）将成为趋势。开发非ZIF/MIL系列的新型前驱体，以及多污染物协同处理系统，是突破规模化应用瓶颈的关键。

结语

碳-MOFs通过结构-功能一体化设计，正重塑环境修复技术的边界。从实验室到工业化，其“稳定骨架”与“智能响应”特性预示着污染治理领域的范式变革。