10月8日，瑞典皇家科学院宣布，将2025年诺贝尔化学奖授予日本科学家北川进、澳大利亚科学家理查德·罗布森和美国科学家奥马尔·亚吉，以表彰他们“在金属有机框架材料的开发”方面作出的贡献。


从沙漠空气中收集饮用水、从水中提取污染物、高效捕获二氧化碳、安全储存氢气……这项被誉为“分子级乐高”的金属有机框架材料（Metal organic Frameworks，简称MOFs），正以其可定制的无限可能，以前所未有的方式破解着水危机、能源困局和污染难题，将人类带入一个“设计材料”的新时代。


为CO₂量身定制“分子牢笼”


在应对气候变化的战场上，MOFs在碳捕集领域的突破为实现碳中和提供了关键技术路径。


2021年12月16日，一篇《一种可扩展的金属-有机框架作为二氧化碳捕捉的持久物理吸附剂》（A scalable metal-organic framework as a durable physisorbent for carbon dioxide capture）论文发表在Science上，中国科研人员林健斌参与其中并作为该论文的第一作者。


上述论文详述了名为CALF-20的MOF材料是一种兼具高容量、高选择性、高稳定性和可扩展性的材料，为二氧化碳捕集技术提供了一种低能耗、持久耐用、工业可行的解决方案。研究还阐述MOF材料已经从实验室走向工业试验。


自2021年1月份以来，CALF-20就在加拿大Lafarge-Holcim水泥厂进行每天一吨二氧化碳捕获的工业试验，它也是世界上第一个工业示范的MOF材料。


CALF-20结构中大约38%的体积为孔道，每克CALF-20具有528平方米的孔道比表面积，在室温以上具有较高的CO₂吸附量。CALF-20的吸附能力和选择性远超传统材料，如同为CO₂量身定制了“分子牢笼”。


MOFs远不止是“捕碳高手”


目前，加拿大、英国、德国、中国在内的多个国家的企业正在把MOFs材料从实验室推向工业现场。他们分别在燃煤电厂、垃圾焚烧厂等烟气中测试“分子级乐高”吸附剂，目标以更低能耗、更高湿稳性实现每年千万吨级的二氧化碳捕集，MOFs温室气体减排技术迈入准商业化阶段。


今年5月，加拿大伯纳比市开设了一家名为Redwood的工厂，专门生产用于捕获二氧化碳的过滤器，其固体吸附剂为MOFs。该工厂由Svante公司运营，目标是每年生产足够的过滤器来捕获1000万吨二氧化碳。这一进展标志着MOFs在商业应用上的重大突破。


在清洁能源的赛道上，MOFs也在解决最棘手的储存难题。


MOFs远不止是“捕碳高手”，其比表面积高、孔径可调、表面可功能化的“分子级乐高”特性，同样让氢气和电能的储存效率实现跃升，从而在氢气的“制-储-用”全链条助力碳中和。


如今，MOFs可以通过在内部构筑无数个纳米级的“分子客房”，让氢能实现高密度、安全地储存和运输。例如，在−196°C、100 bar条件下，NU-100、NU-1501-Al等MOFs的储氢量分别达14.0 wt%和13.2 wt%，远高于传统高压气瓶。


如果利用MOF构成的多孔结构，来做成空气净化器放置屋中，还可以将有机污染物一并化解，真正带来一个环境清新的家。


MOFs的中国实践：碳语新材正赶超巴斯夫，岳阳兴长已向宁德时代送样


在MOFs材料的应用领域，中国的产业实践未落人后。


在新疆，MOF碳捕集设施可在油田回收天然气，在塔克拉玛干沙漠等干旱地区，采用MOF作为吸附剂的空气集水装置已可以为当地居民和采油工人提供饮用水。


在珠海金湾区，广东碳语新材料有限公司作为全球少数通过非溶剂方法实现MOF规模化量产的企业，已开发出40余款MOF产品，应用领域涵盖二氧化碳捕集、除湿干燥、散热制冷、气体分离、VOC吸附及锂电池隔膜涂布等多个领域。据悉，在MOF领域，碳语新材的竞争力目前处于全球第二梯队，希望3-5年能够赶超该行业巨头巴斯夫，成为MOF应用解决方案的革新先锋。


值得注意的是，岳阳兴长作为国内唯一实现MOF材料百吨级量产的企业，其MOF材料作为固态电池电解质已向宁德时代送样并进入装车测试阶段。此外，其特种环氧树脂（MOF衍生材料）已用于华为、三星的芯片封装胶黏剂。


从沙漠取水到油田捕碳，从实验室的“分子乐高”到生产线的规模化产出，MOF技术在中国这片土地上，也在书写着属于自己的产业化故事。


新京报零碳研究院研究员 陶野

编辑 岳彩周

校对 柳宝庆