Нобелевская премия по химии 2025 года: Что такое МОФы?

Шведская королевская академия наук присудила Нобелевскую премию по химии за 2025 год Сусуму Китагаве, Ричарду Робсону и Омару М. Яги за их перспективные исследования в области металлоорганических каркасов (МОФ). Эти революционные материалы с огромными площадями внутренней поверхности, настраиваемой структурой пор и унитарной конструкцией зарекомендовали себя как краеугольный камень химии материалов и нашли революционное применение в хранении энергии, обеззараживании окружающей среды и молекулярной инженерии.

Рис. 1 Нобелевская премия по химии за 2025 год

Введение в МОФы

MOFs - это трехмерные твердые кристаллы, состоящие из ионов или кластеров металлов, координированных с органическими лигандами, причем последние создают трехмерные структуры с высоконастраиваемой архитектурой пор. Благодаря синергии высокой площади поверхности, плотности света и эластичной структуры химики могут создавать структуры с предсказуемым размером пор, химической функциональностью и механическими свойствами.

Некоторые MOF достигают площади внутренней поверхности более 7 000 м²/г, что на порядок лучше, чем у активированного угля, и обладает беспрецедентным потенциалом для хранения и разделения молекул. Модульность МОФ также позволяет функционализировать их в зависимости от области применения - от разделения и хранения газов до доставки лекарств и катализа.

История и развитие MOFs

Создание металлоорганических каркасов (МОФ) началось с Ричарда Робсона в 1989 году, когда он впервые разработал теорию соединения ионов меди с четырехчленным органическим линкером для получения кристаллической сети с точно определенными полостями. Это открыло путь к тому, что стало быстро развивающейся областью исследований.

Затем Сусуму Китагава продемонстрировал универсальность MOFs, продемонстрировав способность структур изменяться путем структурных преобразований, так что каркасы могут "дышать" в зависимости от молекул гостей.

Впоследствии Омар Яги еще больше расширил эту область, синтезировав MOF-5 - материал, обладающий удивительной площадью поверхности более 3 000 м²/г и способный поглощать газы, что свидетельствует о практической пользе материала в реальных приложениях.

Их вклад в совокупности позволил утвердить MOFs как загадочное семейство пористых кристаллических твердых тел, имеющих возможное применение, а также представляющих особый интерес.

Рис. 2 Схематическое представление важных МОФ, о которых сообщалось в докладах

Методы синтеза MOFs

Наиболее популярным методом синтеза MOF остаетсясольвотермальный. Здесь соли металлов и органические лиганды смешиваются в формамид-функционализированных протических или апротических органических растворителях. Реакцию обычно проводят под давлением, превышающим температуру кипения растворителя, в автоклаве, где разрешен рост кристаллов и достигаются очень упорядоченные структуры. Медленный рост кристаллов обычно необходим для получения крупных бездефектных кристаллов с оптимальной площадью внутренней поверхности.

Несмотря на то что сольвотермический синтез является традиционным и надежным, появилось несколько других методов, позволяющих регулировать структуру продуктов и повышать эффективность. Такие методы, как микроволновой, сонохимический, механохимический, электрохимический и ионотермический синтез, находят все более широкое применение.

Например, механохимический синтез использует измельчение и механическую энергию, а не растворители, что минимизирует нагрузку на окружающую среду и позволяет быстро создавать каркасы. Синтез с использованием микроволн также позволяет получать MOF с сопоставимой кристалличностью в течение нескольких минут, а не часов. Все эти разработки важны для крупномасштабного производства MOFs и определения новых архитектур.

Рис. 3 Традиционный сольвотермический синтез МОФ-структур

Потенциальные применения МОФ

Уникальные свойства МОФ - низкая плотность, высокая площадь поверхности, пористость, но регулируемая пористость и структурная гибкость - открывают огромный спектр потенциальных применений:

• Хранение и доставка газа: MOF обладают уникальной ценностью для хранения водорода, метана и углекислого газа. Например, MOF-5 адсорбирует более 20 весовых процентов водорода при 77 K и 1 бар, а MOF-177 адсорбирует CO₂ более 6 ммоль/г при 298 K и 1 бар. Благодаря этим свойствам MOF стали чистыми материалами для хранения энергии, например, в водородных топливных элементах и метановых автомобилях.
• Восстановление окружающей среды: МОФ использовались для удаления загрязняющих веществ из воды и воздуха. Некоторые МОФ избирательно адсорбируют PFAS ("вечные химикаты") из сточных вод, а другие обладают сродством к углекислоте, что позволяет улавливать углерод. Например, Mg-MOF-74 обладает адсорбционной способностью к CO₂ до 8 ммоль/г при комнатных условиях, что делает его пригодным для применения в области контроля выбросов.
• Сбор воды: Некоторые MOF способны собирать воду из засушливого воздуха. В ходе полевых испытаний в засушливых условиях MOF-801 на основе циркония собирал 2,8 л воды на килограмм MOF в день при низкой влажности (20-30 % относительной влажности).
• Доставка лекарств: Пористые структуры MOF позволяют инкапсулировать терапевтические молекулы для контролируемого высвобождения. В экспериментальных исследованиях матрицы MIL-100(Fe) высвобождали противораковые препараты с улучшенной стабильностью и характеристиками направленного высвобождения, снижая системную токсичность.
• Накопление энергии и электроника: MOFs исследуются для применения в суперконденсаторах, батареях и катализе. MOF могут использоваться в качестве электродных материалов с высокой емкостью и проводимостью или в качестве каталитической поддержки для каталитически активных металлических наночастиц.

Эти применения доказывают, что MOF больше не являются лабораторной диковинкой; они уже демонстрируют количественную, реальную эффективность в многочисленных приложениях. Коммерциализация в масштабах, превышающих лабораторные, все еще остается сложной задачей, но исследования по-прежнему направлены на повышение стабильности, воспроизводимости и экономичности.

Рис. 4 Применение в энергетике, доставке лекарств и очистке сточных вод

Заключение

Нобелевская премия по химии 2025 года, присужденная Китагаве, Робсону и Яги, в первую очередь указывает на преобразующее значение MOFs. От новаторских структурных концепций до высокотехнологичных методов синтеза и неиспользованных приложений в будущем - MOFs являются данью уважения к союзу фундаментальной химии и практической пользы. Более подробные новости промышленности и техническую поддержку вы можете найти на сайте Stanford Advanced Materials (SAM).

Ссылки:

1. Dey, Chandan & Kundu, Tanay & Biswal, Bishnu & Mallick, Arijit & Banerjee, Rahul. (2013). Кристаллические металлоорганические каркасы (MOFs): синтез, структура и функции. Acta Crystallographica Section B. 70. 3-10. 10.1107/S2052520613029557.
2. Ganesan, M. (n.d.). Находятся ли металлоорганические каркасы (MOFs) на переломном этапе коммерческого использования? CAS Insights.
3. Raptopoulou, C. P. (2021). Металлоорганические каркасы: Методы синтеза и потенциальные применения. Материалы (Базель), 14(2), 310. (https://doi.org/10.3390/ma14020310)
4. Сандерс, Р. (2025, 8 октября). Омар Яги из Калифорнийского университета в Беркли разделит Нобелевскую премию по химии 2025 года. Новости Беркли.
5. Шведская королевская академия наук. (2025). Шведская королевская академия наук приняла решение о присуждении Нобелевской премии по химии 2025 года. Пресс-релиз Нобелевской премии.
6. Yusuf, V. F., Malek, N. I., & Kailasa, S. K. (2022). Обзор классификации металлоорганических каркасов, синтетических подходов и влияющих факторов: Применение в энергетике, доставке лекарств и очистке сточных вод. ACS Omega, 7(49), 44507-44531. (https://doi.org/10.1021/acsomega.2c05310)