北京时间10月8日，瑞典皇家科学院决定将2025年诺贝尔化学奖授予北川进（Susumu Kitagawa）、理查德·罗布森（Richard Robson）以及奥马尔·M·亚吉（Omar M. Yaghi）三位科学家，以表彰其在金属有机骨架MOFs开发领域的贡献。
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诺奖认证的MOFs有多“猛”？就让我们走进这个微观世界，看看这项技术，如何颠覆我们能源、环境与生活的未来。
MOFs是什么？
一开始，科学家研究微观反应时，更像“把食材一股脑倒进大锅乱炖”：不同分子在溶液里随机碰撞，能不能反应、生成什么产物，全看“运气”。就像想煮一道特定的菜，却没按食谱放食材，最后可能煮出一锅杂烩，既浪费原料，还会冒出没用的 “边角料”，也就是化学反应的“副产物”。
直到MOFs的出现，这种“混乱”才慢慢变成了“有序”——因为它让科学家能像设计公寓楼一样，在分子层面“定制结构”。为什么这么说？
我们先看材料特性。简单来说，MOF以一种具有特定孔隙和微通道的晶态材料，这栋“分子大厦核心只有两样，一样是 “承重柱”，也就是金属离子或金属簇，通常是锌、铜、铁这些我们熟悉的金属形成的小颗粒，比如锌离子（Zn²⁺）、铁氧簇（Fe₃O₄），它们是整个框架的 “支撑点”，决定了“大厦”稳不稳。
另一样是“钢梁”，名叫有机配体，是能和金属牢牢“抓”在一起的小分子，比如带羧基、氨基的有机化合物，它们像桥梁一样，把不同的“金属承重柱”连起来，最终搭出带有规则“房间”和“通道”的立体结构。
关键在于，这些金属节点和有机连接体不是随便堆在一起的。它们之间有特定的化学吸引力，在合适的条件下，会自己找到对方，有规律地排列组合起来，这就像是分子自己在搭积木。
而这种现象在化学里叫自组装——分子根据它们之间的作用力和几何形状的匹配，自动连成高度有序的、重复的三维网络结构，像水晶一样整齐。
一种MOF的示意图（中间的球型表示孔隙），图源：网络
明白了MOFs的“建材”和“结构”，你可能会问：科学家为什么要费这么大劲，在分子层面“盖房子”？
答案很简单：为了 “精准控制”。就像我们住的房子，卧室用来休息、厨房用来做饭，每个空间都有特定功能。MOFs的“分子房间”也是如此，科学家能通过调整“建材”来定制它的细节。
举个直观的例子：如果要让CO₂和H₂反应生成甲醇（一种清洁能源原料），传统方法里，两种气体分子在容器里随机碰撞，很多时候会 “擦肩而过”，就算反应了，也可能生成其他无用物质。
但用MOFs来做这件事，情况就不一样了。科学家会提前设计好MOFs的结构：让它的“孔洞”刚好能“装下”CO₂和H₂，同时让“金属承重柱”（比如铜簇）刚好位于“房间”中央。
这样一来，两种气体分子会主动“住进”MOFs的“房间”，在铜簇的“触发”下精准反应，既不会“跑错地方”，也不会生成多余的副产物。
而这种“精准”，正是MOFs能在很多领域发光发热的关键。比如，在“气体储存” 里，它像一块 “分子海绵”，能高效吸附氢气（用来给氢能汽车储氢）、捕捉 CO₂（助力碳中和）。
这些应用的背后，其实都藏着同一个逻辑：MOFs不是“某一种固定物质”，而是一种“分子组装的思路”——用可控的“建材”搭可控的“结构”，再用这个结构引导分子按我们的需求“做事”。
想想看，金属离子有很多种，像铜、锌等，而有机连接分子更是成千上万种。理论上可以组合出几乎无限多种，每一种都有独特的孔结构和化学性质，能满足特定的应用需求。
这种从发现到设计的转变，可以说是材料科学里一个里程碑式的进步。也是它被称为 “分子工程奇迹” 的真正原因。
说到底，MOFs的神奇之处，从来不是它有多复杂的成分，而是它“微观世界的化学反应” 变得可设计、可控制。
了解了MOFs是什么，以及它的核心优势——可设计性，我们再看看这个想法最初是怎么来的呢？
三位得主的贡献
故事的起点，在澳大利亚墨尔本大学的实验室里。如前所述，当时的科学家研究晶体材料，大多是“碰运气”。把各种物质混合，看看能不能长出有规律的结构。
但罗布森想换个方式：如果找一种能和金属牢牢结合的有机分子当“连接杆”，说不定能搭出一种 “有空洞的开放结构”。
为了验证这个想法，罗布森做了一个特别巧妙的实验。他选了带正电的铜离子当 “连接点”，又找了一种像“四面体”的有机分子。这种分子的四个角上，都带着能和铜离子结合的化学基团，就像伸出了四根“小胳膊”。
他的目标很明确：让铜离子当“节点”，四面体分子当 “横杆”，看看它们能不能自己连成一个 “有孔的网”。
结果超出预期。铜离子和四面体分子真的“按规矩排队”，形成了一种极其规整、对称性极高的晶体。更关键的是，这种晶体的结构特别“松散”——里面布满了互相连通的巨大空腔，就像一栋 “到处是房间和走廊的分子大厦”。
遗憾的是，罗布森合成的这种早期 MOFs有个致命问题——不结实。一旦把孔洞里填充的溶剂分子抽走，整个框架就会 “散架”，根本没法实际用。
所以，罗布森的贡献，更像是“画出了第一份分子多孔建筑的草图”，证明了 “定制结构” 的想法可行。
罗布森之后，有两位科学家接过了“接力棒”：一位是日本京都大学的北川进教授，另一位是当时在美国工作的奥马尔·亚吉教授。他们的研究方向不同，却共同开启了MOFs的“黄金时代”。
先看北川进。他和团队没有急着“加固房子”，而是先研究了一个更基础的问题：气体分子进入 MOFs的“房间” 后，会发生什么？
通过大量实验，他们发现了一个惊喜：MOFs的结构并不是“死的”，而是有动态性——就像人会呼吸一样，它能根据外界环境变化“伸缩”。比如，当温度升高、压力变化，或者有特定气体分子进入时，MOFs的框架会轻微收缩或膨胀；而且气体分子的“进出”是可逆的——需要时能“吸进来”，条件一变又能 “放出去”。
这个发现看似简单，却给MOFs的应用打开了一扇门。比如在“气体分离”领域：如果要从混合气体里“抓出”二氧化碳，只要选一种对二氧化碳“特别友好”的MOFs。它会像 “有筛选功能的海绵”，只让二氧化碳进入“房间”，其他气体被挡在外面；之后只要稍微加热，MOFs“收缩”，就能把二氧化碳“挤出来”，实现高效分离。
北川进团队的研究，图源：网络
而亚吉的团队则花了大量时间筛选“建材”，最终合成出了一系列“超结实”的 MOFs，比如，至今仍被广泛使用的MOF-5和UIO-66系列。这些材料就算加热到几百度，或者把孔洞里的所有气体、溶剂都抽干，框架依然能保持完整，不会 “散架”。这一下，就扫清了MOFs走向实际应用的最大障碍。终于有了 “能扛住复杂环境的分子大厦”。
更重要的是，亚吉没有停留在“做材料”，而是提出了一个全新的概念 ——网状化学（Reticular Chemistry）。这个概念就像给MOFs制定了一套“建筑规范”，然后按照固定的规则组装，最后得到的MOFs，结构和功能完全可控。
打个比方：以前造MOFs像“拼乐高没有说明书”，全靠试；而网状化学出现后，相当于有了“详细图纸”。所以，MOFs 能从一个 “想法” 变成今天的热门材料，离不开这三位科学家的 “接力贡献”。
MOFs能解决哪些现实问题？
当我们顺着科学家的足迹，看完MOFs从“草图”到“结实大厦”的诞生史，更该追问一个核心问题：这种能在微观世界 “定制结构” 的材料，到底为什么对人类如此重要？
答案其实藏在我们正在面临的全球性难题里：气候变化、水资源短缺、能源危机……还是那句话：MOFs 的价值，从不是 “发现了几种新分子” 那么简单，而是它带来了一种“按需造材料” 的全新思路。
例如，全球有超过 20 亿人面临水资源短缺，而在干旱的沙漠地区，连空气中的水蒸气都成了稀缺资源。MOFs 的“多孔特性” 在这里成了关键：它就像一块 “分子海绵”，能高效吸附空气中的水蒸气（即使湿度很低）；当加热到一定温度时，吸附的水蒸气会凝结成液态水。
整个过程不需要复杂设备，只靠MOFs的“吸附 - 释放”循环就能实现。比如，科学家研发的一种锆基MOFs，在沙漠白天的高温下能快速“吐水”，夜晚又能主动 “吸水”，一天内每公斤MOFs能产出数十升水。这种技术如果规模化应用，能让干旱地区摆脱对地下水的依赖，真正实现 “空气取水自由”。
再例如，中科创星投资的企业中科亿氨的研发团队在金属有机框架催化材料领域有着多年的深厚研究积累，早在2015年开始，公司研发团队即开展了系列MOF基纳米催化材料的研制并发现了其在电解水制氢、CO₂还原以及燃料电池领域的优异性能，从而为MOF材料的应用提供了一条新思路。
相关系列工作相继发表在国际顶级期刊Adv. Mater., Appl. Catal. B.等上，并获得了巨大关注，入选ESI高被引论文。而近期，公司研发团队已合成出一种钴基的导电MOF材料，并发现了其对于电催化协同活化氮气与二氧化碳合成尿素的优异性能。
相关研究成果已发表在能源与环境科学领域顶级期刊《Energy & Environmental Science》（EES），该研究首次实现常温下电催化高效率尿素合成，其法拉第效率高达48.97%。
基于MOF材料衍生的单原子催化材料合成，图源：中科亿氨
研究的核心突破在于精准设计导电MOF材料Co-PMDA-2-mbIM：不同于传统 MOF导电性差、催化效率低的局限，该材料通过主客体相互作用调控——在局部亲电的CoO₆八面体与亲核的2-mbIM客体分子区域构建反应“活性中心”，既实现惰性气体的定向吸附，又通过中间自旋态Co⁴⁺（t2g4eg1）的空eg轨道，以独特 “σ轨道羰化策略”促成*N=N*与CO中间体偶联，最终在常温下高效合成尿素。
数据显示，其尿素选择性（法拉第效率FE）达48.97% ，在-0.5V条件下尿素产率达14.47 mmol h⁻¹ g⁻¹，两项指标均处于国际领先水平，成功破解 “分子吸附难、C-N 偶联效率低”的行业痛点。这一研究对于MOF材料的应用从气体存储、工业催化推向绿氨合成新赛道。
在此基础上，中科亿氨进一步推进在实际应用中MOF催化材料的研发，2025年，公司研发团队承担的华能西安热工院科研项目利用末端烟气电催化合成绿氨与尿素的研究服务顺利结题，项目以电催化技术协同转化烟气中CO₂与N₂合成尿素与氨。
研发团队设计合成了含双活性位点的双金属有机金属框架（FeCo-MOF）电催化剂。由于铁钴双金属活性位点和多孔MOF的协同作用，FeCo-MOF在模拟烟气环境下电催化协同还原N2和CO2合成尿素和氨表现出优异的催化性能。FeCo-MOF催化剂在-1.4 V（vs. RHE）电解电压，40℃下电催化协同还原模拟烟气中CO₂与N₂生成氨与尿素的总法拉第效率超过85%。
更进一步，中科亿氨正在设计与新型MOF催化剂相匹配的高效、稳定电解槽，优化反应物料传输与产物分离过程。在此基础上优先与可再生能源（如风电、光伏）结合，构建“绿电”制尿素的示范项目。同时，探索其在CO₂资源化利用、储能等更广阔场景的应用可能。
储能另一大领域，就是电池。当前，固态电池作为未来能源存储的重要方向，其核心优势在于通过固态电解质提升本质安全性，并突破液态电池的能量密度瓶颈。而MOFs有望成为固态电池材料中异军突起的创新材料。
在此方面，中科创星投资企业蓝廷新能源致力于MOF材料的研发、筛选和产业化应用，目前已成功开发出多种高效、低成本MOF合成工艺。
其中几种MOF材料已与无机氧化物固态电解质结合形成“超级固态电解质”，应用于固态电池、半固态电池，甚至是液态电池复合隔膜，显示出优异的性能。研究表明，使用MOF复合膜的电池综合性能显著提升。
使用MOF复合隔膜的NCM电池循环寿命较参比样品提升一倍，图源：蓝廷新能源
蓝廷新能源已于2023年11月建成国内首条年产十吨级MOF材料中试生产线，并合成出优质产品，完成了从实验室克级合成向批量生产的技术跨越。今年蓝廷公司规划将MOF材料的产能扩建至百吨级。
简言之，自从三位科学家奠定基础后，全球的研究人员都涌入了这个领域。截至目前，化学家已经设计合成出超过10万种不同结构的MOFs，而且这个数字还在以每年数千种的速度增长。
虽然它还面临规模化、稳定性、加工成型等挑战，但这些都是“发展中的问题”。未来，只要人类有新的需求，科学家就能尝试通过调整MOFs的“分子结构”，设计出对应的解决方案。这种“无限可能性”，正是MOFs最迷人的地方。
