王磊青岛科技大学二级教授、博士生导师，生态化工国家重点实验室培育基地主任，Chinese Journal of Catalysis、Nano Research、Ecoenergy等杂志编委。长期从事金属-有机框架材料及其衍生物在能源转化与存储领域的应用研究，面向国家能源重大需求，聚焦绿色能源关键技术攻关，带领团队在高效电极和催化剂材料的设计合成及宏量制备方面达到国际领先水平。近五年以通讯作者身份在Nat Commun、Angew Chem Int Edit、Adv Mater、Energ Environ Sci等SCI期刊发表论文400余篇，影响因子大于10的论文180篇，他引18000余次，H因子69。主持国家自然科学基金、山东省重大科技创新工程、山东省杰出青年科学基金等项目20余项。作为第一完成人获中国石油和化学工业联合会科技进步奖、中国颗粒学会自然科学奖、中国可再生能源学会科学技术人物奖等多项奖励。获批授权国家发明专利60余项，多项成果实现了工业化应用。

金属-有机框架材料（Metal-Organic Frameworks, MOFs），由于有序且可设计的孔结构以及超高的比表面积，引起了科学界的广泛关注，在气体吸附、存储、催化、储能、环境治理等领域均展现出优异的应用前景，近年来成为最受欢迎的明星材料之一。

MOFs是一种配位聚合物，由金属中心与配体分子通过配位键交替连接而构筑的晶态网络结构。MOFs的历史可以追溯到1893年Werner提出的配位聚合物（Coordination Polymer）的概念，尤其是1977年A. F. Wells将拓扑的概念引入配合物骨架，极大地方便了复杂配位聚合物的结构分析和理解，为20世纪末聚合物和金属-有机框架材料的爆发式发展奠定了坚实的基础。1995年，Yaghi科研团队在Nature杂志上正式提出了“金属-有机框架”这一概念，由于Yaghi团队陆续报道了系列具有优异性能和超高比表面积的MOFs材料以及其形象化的描述，最终MOFs这个定义逐渐被学术界认可和接受。在国内，一些研究团队，如陈小明院士课题组、洪茂春院士团队、卜显和院士团队、游效曾院士课题组等在MOFs的发展过程中做出了引领性的工作，中西方的充分交流，也助力了该领域的更好发展。

▲ MOFs三维框架示意图

MOFs的组装类似积木拼装的过程，金属和金属中心可以看作一个个节点，有机配体作为一个个棍，将节点连接在一起并周期性地重复，最终形成具有一个个“房间”的“大厦”。其金属中心可以是过渡金属（Fe、Co、Ni、Zr、Mn等）、稀土金属（La、Ce、Tb、Yb等）也可以是主族和碱土金属（Al、In、Pb、Mg、Ca等）；有机配体更是种类多样，如羧酸类、咪唑类、吡啶类以及四唑等，且有机配体可以进行侧链修饰和引入多种官能团，因此赋予了MOFs多样化的结构和可设计的骨架组成。由于每一个“房间”都是原子级别的，因此赋予了MOFs材料超高的比表面积（甚至可以超过8000 m²/g），因此在环境和能源领域具有良好的应用前景。

尤其是可以对MOFs进行一系列处理，使之有效地发挥母体的结构优势，制备具有优异性能的MOFs衍生材料，广泛应用于电化学储能、光电催化和吸附分离等领域。如通过热解策略，MOFs中的有机配体可以原位转化为多孔碳材料，这些多孔碳可以有效负载MOFs中的金属，防止金属过度聚集，从而制备单原子或者高分散的催化材料。此外，MOFs中的金属中心还可以作为催化中心，在热解过程中形成多种多样的碳结构，赋予MOFs衍生材料多样化的应用场景。基于配位键适宜的键强度以及晶体材料的各向异性，MOFs还可以通过多样化的离子刻蚀，如S2−、OH−、PO43−、VO3−以及植酸（环己六醇六磷酸）等，实现选择性刻蚀，构筑具有独特形貌的多级孔材料。这些MOFs衍生材料由于承袭了母体高比表面以及丰富孔结构的特征，在电化学储能、电催化、环境治理等方面的应用前景非常广阔。

▲ MOFs 及其衍生材料吸附有机污染物的机理

随着社会的进步和科技的发展，能源与环境问题日益严峻，如何解决能源与环境和人的问题，是人类社会能否继续高质量发展的关键。发展以太阳能、风能、地热能、潮汐能和核能为代表的清洁能源已成为全社会的共识，然而上述能源体系存在时间空间分布不均匀的问题，发展高性能的能源存储与转化体系以及关键材料是解决上述问题的关键。MOFs独特的有序有机-无机杂化结构、超高的比表面积、丰富的孔结构以及可设计的组成，在氢气吸附、二氧化碳吸附、电催化、光催化以及电化学储能等能源与环境领域具有优异的应用表现。尤其是MOFs衍生材料可以继承其母体的结构优势，制备原位碳掺杂的复合材料、单原子材料、多级孔材料以及多壳层材料等，从而提升材料利用效率，显著增强器件的能量存储或转化性能。

《MOFs 及其衍生材料在能源与环境领域的应用》（王磊著．北京：科学出版社，2024.3）一书归纳和总结了近年来MOFs及其衍生物在能源与环境领域的一系列研究成果，希望本书的出版能够对相关材料的制备与合成及其在能源环境领域的应用起到一定的科普作用，助力相关学科的发展。

本书共9章：

  • 第1章介绍了MOFs材料的发展历史、结构特点、设计策略和合成方法等，并以常见的几类MOFs为例，阐述了其合成的影响因素；

  • 第2章介绍了MOFs在氢气、甲烷等能源气体的存储以及能源气体分离中的应用；

  • 第3章介绍了MOFs及其衍生物在光催化水分解以及二氧化碳还原领域的应用；

  • 第4章介绍了MOFs及其衍生物作为电催化剂的优势及发展历史，并对电催化析氢反应（HER）、电催化析氧反应（OER）、氧还原反应（ORR）、二氧化碳还原反应（CO₂RR）、氮还原反应（NRR）以及其他电催化反应进行了展开描述；

  • 第5章介绍了MOFs及其衍生物在超级电容器领域的应用，并将已报道的材料分为MOFs及其复合材料、MOFs衍生碳材料和MOFs衍生过渡金属基纳米材料三类进行描述，介绍了每类材料的特征；

  • 第6章介绍了MOFs材料在电池中的应用，详细介绍了其在金属离子电池、金属-空气电池、锂-硫电池、固态电解质和锂负极保护中的应用；

  • 第7章介绍了MOFs材料在大气污染控制中的应用，重点介绍了在含硫气体脱除、含氮气体脱除、挥发性有机气体脱除以及CO、汞脱除中的应用；

  • 第8章介绍了MOFs材料及其衍生物在水处理中的应用，详细介绍了适用于水处理的MOFs、其毒性与缓解以及挑战和前景；

  • 第9章介绍了MOFs及其衍生物在海水资源提取中的应用，重点介绍了海水提铀和海水提锂方向。

王磊教授在MOFs 及其衍生物材料的合成及其应用领域深耕近20 年，在相关材料的定向设计与组装、催化机理研究、储能过程控制以及器件组装方面均做出了突出贡献，在本领域具有重要的影响力。同时在青岛组织了多次关于新能源技术的相关国际会议，组织创办了相关的国际性期刊，促进了广泛的学术交流，为我国相关领域的发展做出了重要贡献。

《MOFs 及其衍生材料在能源与环境领域的应用》根据王磊教授团队的相关工作，以及国际期刊上报道的MOFs 及其衍生物材料在能源存储和环境领域的杰出工作，撰写而成。该书系统介绍了MOFs 及其衍生材料在气体存储、光催化、电催化、超级电容器、电池、大气污染控制、水处理以及海水资源提取等领域的应用。希望该书不仅可以起到良好的科普作用，助力本领域的年轻工作者和广大研究生对MOFs 及其衍生材料的理解，同时该书介绍的一些MOFs 合成及处理策略以及材料结构与性能之间的构效关系可以给相关从业人员以启迪，推动我国能源与环境领域技术的快速发展，取得更加丰硕的成果。

冯守华

中国科学院院士

吉林大学教授

2024 年3 月于长春

本文由《MOFs 及其衍生材料在能源与环境领域的应用》一书作者供稿。

ISBN 978-7-03-076805-6

责任编辑：张淑晓 孙静惠

金属有机框架材料因具有超高的比表面积、可控的孔结构以及具有氧化还原活性的金属离子，而成为一种理想的电极材料前驱体和催化材料前驱体，在能源与环境领域展现出诱人的应用前景。本书系统地介绍了MOFs材料及其衍生物的历史、基本概念、合成方法，以及它们在能源气体存储与分离、光催化水分解和CO₂ 还原、电催化、超级电容器、电池、大气污染控制、水处理和海水资源提取等领域的应用，并归纳总结了相应的材料设计和组装策略。

本书可供化学、材料、储能和环境等领域的本科生和研究生及科技工作者阅读和参考。

（本文编辑：刘四旦）

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