诺奖材料MOFs：能否破解工业尾气CO提纯的百年难题？

2025年10月8日，诺贝尔化学奖授予金属有机框架（MOFs）领域的三位开拓者，彰显了该材料在能源与环境应用中的重大科学价值。

金属有机框架是由金属离子或团簇与有机配体通过配位作用自组装形成的晶态多孔材料。其结构可类比为“纳米级建筑”：金属节点作为“连接枢纽”，有机配体作为“支撑支柱”，共同构建出具有规则孔道和可设计结构的三维网络。作为一种载体材料，MOFs不仅具备多孔材料高比表面积和可控孔隙率的优势，还保留了其有机配体及无机金属节点自身的功能，可根据与负载物间的分子作用力类型对MOFs进行功能化修饰来增强吸附。因此，在气体吸附与分离、多相催化、离子传导等领域MOFs展现出广阔的应用潜力。

以对一氧化碳（CO）分离工艺的促进影响为例，CO是合成乙二醇、醋酸等重要化学品的关键原料，传统制备方法依赖化石燃料，能耗与碳排放较高。而钢铁、电石等工业尾气中含大量CO，若实现其高效提纯与资源化利用，既能提供合成原料，又可降低环境污染。然而，工业尾气中CO常与氮气（N₂）共存，二者动力学直径和极性相近，分离难度大。MOFs材料因其孔道结构可精确设计、表面化学环境可调，在CO/N₂选择性吸附方面显示出独特潜力，为高效分离提供了新思路。

目前，CO/N₂的分离主要采用深冷分离、溶液吸收和固体吸附三类技术。深冷分离法虽处理量大，但由于CO与N₂沸点接近，需依赖多级精馏实现有效分离，导致工艺流程复杂、设备投资高且能耗巨大；溶液吸收法虽对CO具有较高选择性，但存在吸收剂性能要求严苛。相比之下，固体吸附法中的变压吸附（PSA）技术通过调控吸附压力即可实现CO的高效富集与回收，兼具能耗低、设备简便、自动化程度高以及操作灵活等优势，在现有CO/N₂分离技术中展现出显著的应用可行性与经济性。

在PSA工艺中，吸附剂的性能是决定CO/N₂分离效率的关键。目前所使用CO专用吸附剂，均是以过渡金属包括 Cu⁺、Ag⁺、Ni⁺ 等化合物为活性组分，负载在分子筛、活性炭等高比表面积的多空物质上形成的固体络合吸附剂。其原理是CO与一价过渡金属形成一种作用力介于物理吸附与化学吸附之间的π键，可实现对CO的选择性识别，并能在温和条件下（如加热或减压）实现脱附，从而获得高纯度CO。

近年来，MOFs材料因其结构与功能的可调性，被视为开发新型CO吸附剂的理想载体。有研究尝试将Cu引入MOF孔道制备络合吸附剂，但由于MOFs热稳定性较差，难以通过热分散使Cu⁺均匀分布，导致金属团聚。后续还原过程中，高温或还原性气体易破坏骨架或产生单质Cu，造成吸附剂失活。

另有研究发现，CO可与MOFs骨架中的不饱和金属位点发生作用。该类材料对CO的吸附等温线呈I型，低压区因配位作用快速吸附，高压区则以范德华力为主，吸附热随吸附量增加而降低。然而，该类研究目前仍限于实验室阶段。

在传统CO专用吸附剂中，由北京北大先锋公司基于北大化学院谢有畅教授“单层分散”理论开发的Cu⁺-分子筛吸附剂，是目前市场上能够实现大规模工程应用的CO专用吸附剂。自2003年起，该吸附剂及其配套变压吸附工艺已成功应用于多种工业尾气中CO的提纯，包括丹化集团半水煤气、金煤化工水煤气、天业集团电石炉尾气、华菱钢铁高炉煤气、晋南钢铁和石横特钢转炉煤气等CO提纯项目。该技术于2006年获国家技术发明二等奖，这表明其在技术创新性、先进性及应用价值上达到了行业领先水平，在工业气体分离领域已充分具备实际应用基础。

相比之下，部分MOFs材料虽在实验室层面表现出优异的CO吸附性能，但在实际应用方面仍面临稳定性、机械强度及环境适应性等挑战，远未达到工程化推广阶段。对于CO/N₂分离难题，当前仍需以经过工业验证的传统吸附技术为主要解决方案。

科学突破持续推动工业技术革新，然而从基础研究到实现工业应用往往存在诸多挑战。北大先锋公司二十年来在CO/N₂分离领域的成功实践表明，唯有将科学研究转化为现实生产力，才能真正赋予技术以生命力。MOFs材料研究获奖，意味着人们对材料研究发展进程的关注，MOFs材料以其结构和功能的可调性，未来可能成为气体分离领域下一代吸附剂的理想载体。但就目前MOFs材料而言，要实现从实验室走向产业化，仍需在材料稳定性、成型工艺与系统工程等方面开展深入攻关。