
2025年諾貝爾化學獎花落金屬有機框架(MOFs)領域的三位科學家,讓這種被稱為“分子海綿”的新型材料走進了大眾視野。對于不少非材料領域的讀者來說,MOFs可能還是個陌生的名詞,它究竟是什么?能應用在哪些行業?又有哪些高效的制備方法?今天我們就來一一拆解,重點聊聊那艾儀器噴霧干燥技術在MOFs制備中的三個典型案例。
簡單來說,金屬有機框架(MOFs)是由無機金屬中心(金屬離子或金屬簇)與橋連的有機配體通過自組裝形成的多孔晶體材料,具有三維網絡結構和大量空腔。它最神奇的地方在于超高的孔隙率(自由空間占比可達90%)和超大的比表面積,一克MOF的內部表面積甚至相當于兩個橄欖球場,這讓它擁有極強的吸附能力,就像一塊能精準捕捉特定分子的“海綿”。更關鍵的是,通過改變金屬離子和有機配體的種類,就能靈活調控MOFs的孔徑大小和功能基團,從而適配不同的應用場景,這也是它能在多個行業大展拳腳的核心原因。
從行業應用來看,MOFs的“多才多藝”令人驚嘆。在能源化工領域,它是碳捕集與封存(CCS)的核心材料,能高效吸附工業排放中的二氧化碳,巴斯夫已實現規模化生產并應用于鋼鐵、水泥等行業的減排項目;在生物醫藥領域,它可作為藥物載體實現精準遞送和緩釋,還能用于吸入制劑的研發;在環保領域,它能高效吸附水體和空氣中的污染物,甚至可用于極端環境下的水分收集,被喻為“水分子獵人”;此外,它還在電子材料、氣體儲存、催化反應等領域擁有廣闊前景,比如我國企業研發的MOF材料已作為固態電池電解質進入裝車測試階段。
要讓MOFs的優異性能落地應用,高效的規模化制備技術至關重要。噴霧干燥技術憑借工藝簡單、干燥快速、可連續生產的優勢,成為MOFs制備的熱門選擇——它能將溶液、懸浮液等物料瞬間干燥成粉狀或顆粒狀產品,尤其適合熱敏性物料,且易于工業化放大。下面我們就通過三個詳細案例,看看噴霧干燥技術是如何制備不同類型MOFs的。
第一個案例是空心多晶ZIF-8的 aqueous體系噴霧干燥制備。ZIF-8是MOFs家族中研究最廣泛的成員之一,具有優異的化學穩定性和獨特的“門控”吸附功能,在氣體分離領域應用廣泛。傳統制備方法難以精準控制其形貌,而科研人員通過 aqueous體系噴霧干燥技術,成功實現了ZIF-8的形貌調控。具體過程為:先配制含鋅離子和咪唑類配體的水溶液前驅體,將其送入噴霧干燥設備后,瞬間蒸發的水分使物料形成無定形鋅絡合物顆粒;隨后通過極性有機溶劑活化處理,這些無定形顆粒發生非晶-晶體轉變,最終形成空心多晶結構的ZIF-8。這種空心多晶結構大幅提升了ZIF-8的吸附容量和吸附速率,為其在工業氣體吸附分離中的應用奠定了基礎,而且整個工藝可連續進行,具備大規模生產潛力。
第二個案例是UiO-66-NH?的綠色規模化噴霧干燥制備。UiO-66-NH?是一種含氨基官能團的MOFs材料,具有良好的生物相容性和催化活性,在環境修復、藥物載體等領域需求迫切。科研團隊采用噴霧干燥結合連續流輔助的方法,以水為唯一溶劑,成功實現了UiO-66-NH?的綠色合成——這解決了傳統溶劑熱合成方法中有機溶劑用量大、污染嚴重的問題。制備過程中,科研人員通過調控調節劑乙酸的用量來優化反應動力學,最終在40g規模的實驗中,以85%的高收率得到了BET比表面積達1270m2/g的UiO-66-NH?球形微球。該案例的核心價值在于構建了綠色、可擴展的MOFs制備工藝,為UiO-66-NH?的工業化應用降低了成本、減少了環境負擔。
第三個案例是環糊精基MOFs(CD-MOFs)的噴霧干燥制備及其在吸入制劑中的應用。CD-MOFs由環糊精與金屬離子組裝而成,具有良好的生物降解性,是藥物遞送領域的理想載體,尤其適合開發吸入制劑。科研人員通過優化噴霧干燥前驅體的參數(如乙醇體積比、孵育時間、濃度),成功制備出結晶度、孔隙率可調控的CD-MOFs顆粒。值得注意的是,在前驅體中引入抗真菌藥物酮康唑后,制備的載藥CD-MOFs比表面積較純CD-MOFs提升了3倍,達到292m2/g,且藥物能穩定負載在CD-MOFs的疏水空腔中。更關鍵的是,噴霧干燥制備的CD-MOFs顆粒呈球形、密度低,幾何中位粒徑(D50)小于5μm,完全符合吸入制劑的粒徑要求;后續通過乙醇改性優化噴霧干燥工藝,產品的氣溶膠性能進一步提升,為吸入式藥物制劑的開發提供了全新思路。
從這三個案例可以看出,噴霧干燥技術不僅能實現不同類型MOFs的高效制備,還能通過工藝調控優化產品結構和性能,同時兼顧綠色環保和規模化生產需求。隨著MOFs材料在更多行業的應用落地,噴霧干燥等高效制備技術將進一步推動其產業化進程。MOFs作為一種可精準設計的“分子海綿”,憑借其獨特的結構和性能,正在能源、環保、生物醫藥等領域掀起技術革新;而噴霧干燥技術則為MOFs的工業化應用提供了可靠的制備方案,兩者的結合有望催生更多綠色、高效的新材料應用場景。