综述：定制金属-有机框架：从形态控制到超结构组装

时间：2026年1月23日

来源：Coordination Chemistry Reviews

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金属有机框架（MOFs）的形态控制与超结构组装对其性能有决定性影响，本文系统总结了从单晶到超结构的跨尺度精确工程策略，包括合成参数调控、外部场辅助及模板辅助方法，揭示了形态与结构对多级孔道及功能优化的作用机制，为拓展环境、能源、医疗等应用提供理论指导。

王志博|朱洪宇|常淼|王崇晨

北京工业大学先进材料研究所，建筑结构与环境修复功能材料北京市重点实验室，中国北京100044

摘要

在过去三十年中，金属有机框架（MOFs）因其结构多样性和可调功能而受到广泛关注，在环境修复和能量存储等应用领域展现出巨大潜力。然而，MOFs的性能不仅受其化学成分的影响，还关键地受到其形态特征和层次组织结构的影响。因此，实现对MOFs的精确控制——从定制的微观尺度形态到超结构的合理构建——已成为提高其功能性和扩展应用范围的关键研究方向。本文全面总结了在多个尺度上对MOFs进行精确工程设计的最新进展，范围从单晶形态控制到超结构组装。我们首先系统地阐述了关键合成参数、外部调节剂和模板辅助策略在指导MOF晶体大小和形状中的作用。随后，讨论了多种组装方法，包括蒸发诱导、喷雾干燥、模板辅助、电场诱导、耗尽辅助、DNA导向、液桥作用、溶剂辅助以及光热转换组装等方法，这些方法能够将离散的MOF颗粒组织成有序的超结构。特别强调了组装参数的调节如何影响最终结构的形态特征。最后，我们对当前面临的挑战和未来的研究方向提出了展望，旨在激发下一代MOF材料在精确设计和可控组装方面的进一步创新。

引言

自从1995年Yaghi教授的团队首次提出金属有机框架（MOFs）的概念以来，这类由金属节点和有机连接体通过配位键组装而成的多孔晶体材料迅速成为材料科学和化学交叉领域的研究焦点[1]。由于其高度可调的结构和组成、异常大的比表面积、可控的孔环境以及出色的功能兼容性，MOFs在许多前沿技术领域展现出广阔的应用前景，包括水环境修复[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、能量存储[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、大气水收集[20]、[21]、[22]、[23]以及催化[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。2025年，Kitagawa教授、Richard Robson教授和Omar M. Yaghi教授因在MOF材料领域的开创性工作而被授予诺贝尔化学奖[30]。这一荣誉不仅认可了MOF研究的深远科学意义，也凸显了这类材料在解决当代技术挑战方面的变革潜力。

在MOF晶体结构的设计方面取得了显著进展[31]、[32]、[33]、[34]。随着合成方法和表征技术的不断改进，MOF数据库中已记录了超过120,000种结构，而且这一数字仍在持续增长[35]、[36]。然而，随着MOF研究从基础探索转向实际应用，研究人员越来越认识到，决定其应用性能的关键因素不仅限于其晶体结构，还扩展到其微观形态[37]、[38]、[39]。例如，在异相催化中，暴露特定的晶体面可以显著提高催化活性[40]、[41]、[42]。通过精确控制MOF的形态设计，研究人员可以根据具体应用要求定制其性质[43]、[44]、[45]。在气体吸附/分离、水收集、环境修复和能量存储过程中，比表面积、形态和颗粒大小等参数直接影响传质效率，从而影响实际应用性能[46]、[47]、[48]、[49]。此外，如中空MOFs这样的新兴形态具有较高的药物负载能力，在药物递送领域展现出巨大的应用潜力[50]、[51]。在这种背景下，将MOF从结构设计推进到精确定制的形态工程开发，从而实现功能导向的材料构建，已成为当前研究的核心方向。这些发现强调了深入理解MOFs生长机制和实现精确形态控制以优化其性能的重要性。

此外，构建MOF超结构成为克服应用瓶颈和实现多功能整合的另一个关键途径[52]、[53]、[54]。MOF超结构是指通过范德华力、耗尽力或界面诱导力等相互作用，将单个MOF颗粒定向组装而成的有序结构。由于其高度可设计的框架、可调的表面功能以及多样的规则形态（如十二面体和八面体），MOF单元成为通过受控组装方法合理构建功能超结构的理想组件[55]、[56]、[57]、[58]。迄今为止，已经成功构建了一系列多维有序超结构，从零维（0D）微球和一维（1D）链到二维（2D）薄膜和三维（3D）块状材料[59]、[60]。这种超结构组装策略的主要优势在于它能够在保持MOF单元内在微孔性的同时，通过有序排列颗粒创造出介孔、大孔甚至空隙，从而形成独特的层次孔网络。多维超结构的构建不仅增加了材料的比表面积，还创建了快速的质量传输通道，有效促进了反应物、离子或分子的扩散和迁移，从而实现了传质效率和反应动力学的协同增强，在吸附、催化、传感和能量存储领域展现出广泛的应用前景[60]、[61]、[62]。

本文首次系统地总结了从微观尺度形态到超结构合理构建的MOFs精确设计[（

图1））。与早期专注于经典形态控制的综述不同，本文将扩大范围，重点介绍新兴的MOF形态调控方法[63]。此外，它不仅扩展了关于晶体形态调节的讨论，还将焦点从传统的晶体成型转移到层次有序超结构的组装上。值得注意的是，无论是在视角还是定位上，本文都与最近关于胶体MOF颗粒自组装或定向多晶超结构的报道[59]、[64]、[65]、[66]有显著不同。虽然这些贡献强调了合成原理，但我们的工作更注重实用性的“问题解决指南”。除了系统解释技术基础外，它还提供了合成和组装过程中常见问题的解决方案。通过系统整理现有研究成果，本文旨在为MOFs及其衍生结构的设计和功能增强提供新的见解，从而促进其在更广泛场景中的实际应用。