金屬有機(jī)框架（Metal Organic Frameworks，簡(jiǎn)稱MOF）因其編織的孔道結(jié)構(gòu)與可設(shè)計(jì)性，獲得了本年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)——2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了北川進(jìn)（Susumu Kitagawa）、理查德·羅布森（Richard Robson）與奧馬爾·亞吉（Omar M. Yaghi）三位科學(xué)家，以表彰他們?cè)贛OF領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)。這一里程碑式的獎(jiǎng)項(xiàng)，使“以MOF材料重塑界面”的思路再次成為材料化學(xué)與能源器件領(lǐng)域的焦點(diǎn)話題。
什么是金屬有機(jī)框架（MOF）
顧名思義，金屬有機(jī)框架（MOF）是一類由金屬離子或簇作為節(jié)點(diǎn)、有機(jī)分子作為連接橋梁自組裝而成的一維、二維或三維結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)賦予了MOF極高的比表面積和可調(diào)性：分子尺度的孔道不僅為各種客體分子提供了“容身之所”，還允許它們可逆地進(jìn)出框架，實(shí)現(xiàn)選擇性的吸附與分離。依托這種納米孔道，MOF展現(xiàn)出極其廣泛的用途。例如，研究人員已經(jīng)利用某些MOF從干燥的沙漠空氣中收集水分、從水中去除污染物、捕獲溫室氣體二氧化碳，甚至儲(chǔ)存氫氣等氣體。憑借組分和結(jié)構(gòu)上的可設(shè)計(jì)性，化學(xué)家可以針對(duì)不同應(yīng)用需求來(lái)“量身定制”MOF的孔徑大小和表面功能基團(tuán)，使其成為一類高度可定制的功能材料。正如諾獎(jiǎng)委員會(huì)所評(píng)價(jià)的：“金屬有機(jī)框架材料具有巨大潛力，為定制具備新功能的材料帶來(lái)了前所未有的機(jī)會(huì)”。
圖1 | MOF示意圖
MOF晶體結(jié)構(gòu)中含有大量規(guī)整的納米孔穴，氣體和其他分子可以在其中自由進(jìn)出。用于選擇性地捕獲分子（離子），也可用于催化化學(xué)反應(yīng)或傳導(dǎo)離子。
框架材料榮膺諾獎(jiǎng)：MOF領(lǐng)域的里程碑認(rèn)可
經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，MOF已從實(shí)驗(yàn)室逐步走向解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的核心材料。早在1989年，羅布森就首次嘗試?yán)媒饘匐x子和有機(jī)配體構(gòu)筑出了內(nèi)部充滿孔洞的晶體。隨后北川進(jìn)證明了氣體分子能夠可逆進(jìn)入并流出MOF孔道，驗(yàn)證了這類材料的開(kāi)放多孔和“可呼吸”特性；奧馬爾·亞吉?jiǎng)t合成了首個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且永久多孔的MOF晶體，并提出了“網(wǎng)狀化學(xué)”（Reticular Chemistry）的概念，為按需設(shè)計(jì)MOF功能提供了理論基礎(chǔ)。如今，MOF材料在環(huán)境、能源等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛能。
值得關(guān)注的是，MOF也為新能源材料領(lǐng)域提供了全新的思路：能否利用MOF這樣的框架材料來(lái)重塑電池界面，從而突破傳統(tǒng)材料的性能瓶頸？
MOF外延層：4.2V固態(tài)鈉電池界面穩(wěn)定的新方案
探索MOF在正極材料表面上的外延生長(zhǎng)行為，是在正極顆粒表面“定制功能化MOF”的關(guān)鍵。近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所陳立泉院士團(tuán)隊(duì)從“配體-襯底”吸附能出發(fā)，完整闡釋了各向同性MOF外延層（MET-6）在高電壓正極材料Na?V?O?(PO?)?F（NVOPF）表面上的生長(zhǎng)行為。這一發(fā)現(xiàn)不僅解決了PEO基聚合物固體電解質(zhì)高電壓分解的挑戰(zhàn)，并為MOF外延層用于電極材料鋪平道路。
圖 2｜表面工程與Na?傳輸機(jī)制示意圖
a 傳統(tǒng)涂層、各向異性外延層與各向同性外延層的生長(zhǎng)行為對(duì)比示意圖。b MOF外延層的設(shè)計(jì)示意圖。MOF外延層由吸附在NVOPF表面的配體觸發(fā)形成。作為固態(tài)電解質(zhì)，MOF 提供Na?傳輸通道。
具體而言，與傳統(tǒng)包覆層不同，各向同性MOF（MET-6）外延層不僅完全鈍化了NVOPF的暴露面，MOF自身開(kāi)放的框架結(jié)構(gòu)還提供了Na?擴(kuò)散通道。在提升正極側(cè)界面穩(wěn)定性的同時(shí)，還保留了優(yōu)異的倍率性能。在電化學(xué)性能測(cè)試中，MOF界面層展現(xiàn)出令人矚目的效果。
綜上，這項(xiàng)工作通過(guò)各向同性MOF外延生長(zhǎng)這一創(chuàng)新策略，成功解決了長(zhǎng)期困擾固態(tài)鈉電池的高電壓界面不穩(wěn)定難題。在4.2V高電壓下，PEO基固態(tài)鈉電池實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壽命穩(wěn)定循環(huán)，為高能量密度儲(chǔ)能器件的界面工程提供了全新的設(shè)計(jì)范式。隨著MOF材料體系和合成工藝的持續(xù)優(yōu)化，這一框架材料重塑界面的策略有望在下一代高安全、高能量密度電池技術(shù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，加速固態(tài)電池從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用。
本研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院專項(xiàng)和北京市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。相關(guān)成果以“Designing an isotropic epilayer for stable 4.2 V solid-state Na batteries”為題，發(fā)表于2025年9月的《自然·能源》（Nature Energy）期刊。
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