基于多孔吸附材料的吸附技术在工业生产和日常生活中应用广泛。这些技术为污染治理和碳减排提供了节能解决方案，是绿色转型与生态可持续发展的必然选择[1–3]。沸石、活性炭等传统多孔材料的研发显著推动了吸附科学领域的发展[4]。然而社会进步与技术发展对吸附剂设计提出了日益严苛的要求，特别是在温室气体捕集、低浓度有机污染物去除、高纯度化学品制备、轻质烃类分离以及特种气体提纯等复杂应用场景中[5]。要应对这些挑战，必须创新吸附剂构建技术，实现结构精准调控、性能优化提升以及合成工艺简化优化。
在此背景下，我们于2013年提出了单分子陷阱（SMT）的概念（图1），该概念强调通过构建具有客体特异性口袋且几何尺寸与形状受限的多孔吸附剂来实现精准设计[6]。这些吸附剂可通过形成协同化学相互作用，实现与目标分子的选择性强结合，从而定义了一类新型分子陷阱吸附剂[6]。代表性应用是为CO2捕获而开发的单分子陷阱。对孔径和结合基序的原子级控制确保了严格的单分子-单腔捕获机制（图2a），从而在低压条件下获得陡峭的吸附等温线。Yaghi等人。[7] 通过将单分子陷阱描述为“尺寸精准的口袋结构”，研究者们着重强调了这项工作的重大意义。该分子陷阱策略的核心在于将形状互补性与主客体相互作用（例如π · π 堆积作用、氢键作用及静电效应）有机结合。因此，这种策略能够实现对结构-性质关系的分子乃至原子级调控，为开发新一代吸附剂提供了重要指导原则[8,9]。
金属有机框架材料（MOFs）凭借其结构多样性、化学可调控性及周期性结构特征，为分子捕获吸附剂的研发提供了理想平台[10]。这类材料在实现高灵敏度捕获、选择性分离以及结合机制的直观解析方面具有显著优势，因此在应对污染治理与碳减排等社会环境挑战中展现出广阔应用前景。
典型应用
在众多目标中，CO2捕获代表了分子陷阱MOFs研究最为广泛且可能最具影响力的应用（表1）。在一个典型体系中，研究人员系统研究了包含六氟硅酸根阴离子的柱状方形网格框架。这些超微孔材料表明，通过埃级孔径调控和无机氟化物定制孔道化学，可为CO2生成精确捕获位点。 SIFSIX -3-Zn材料具有匹配的孔径尺寸和良好的静电特性（图2b），展现出卓越的CO2/N2选择性（在类似烟气条件下超过1500）以及低分压下的高吸附量[11]。此类性能验证了“每个孔道捕获单分子”概念的有效性，该概念指导着分子陷阱吸附剂的设计。
除了CO2捕获外，分子陷阱方法在挥发性有机化合物（挥发性有机物）去除方面也展现出强大效果，能够选择性捕获低浓度下的苯、甲苯和二甲苯等有毒芳香烃。代表性案例是BUT-55——一种双壁钴吡唑骨架结构，其空腔可作为分子陷阱捕获空气中的痕量苯[9]。BUT-55具有两层交错排列的吡唑烷壁结构，包裹芳香亲和口袋，通过形成多重C–H··· π 和 π ···· π 相互作用，显著提升对ppm级苯的亲和力（图2c）。在模拟动态实验中，该材料实现了8000小时·g-1的长突破时间，并生成残留苯含量可接受的清洁空气。Zn-Ade- TCPE 进一步拓展了该策略[21]：其狭窄狭缝孔径可选择性吸附平面苯分子，同时排除体积较大的环己烷。协同 π ···· π 与CH···N/O相互作用将苯固定在腺嘌呤修饰笼内，单步去除率可达1000ppm苯的99%以上，且环己烷纯度超过99.999%。这些案例表明，分子陷阱型框架能够应对诸如去除痕量挥发性有机物或净化商品气体等挑战。分子陷阱MOFs还能有效缓解NO2和SO2等无机空气污染物。 MFM -520采用蝴蝶结状孔道可限制NO2二聚体（N2O4），在298 K和1 kPa条件下实现了4.2 mmol g-1的创纪录吸附量[23]。
值得注意的是，捕获的NO2仅需水冲洗即可定量转化为HNO3，且该框架在125次可逆捕获-转化循环后仍保持完整。类似地，BUT-86展现出卓越的痕量级SO2捕获能力。
该吸附剂在动态突破测试中展现出高容量，可在80%相对湿度（RH）条件下处理痕量（100 ppm）SO2，使排放物中SO2浓度低于10 ppb。捕获的SO2可在室温下转化为2-羟基丙烷-2-磺酸，实现温和条件下捕集、转化与化学再生的集成化理。混合污染物系统对吸附剂设计提出更高挑战，因其难以同时具备多种类型的结合位点。
单分子陷阱可同时捕获多种分析物。BUT-78是一种结构稳定的Ni(II)-吡唑烷骨架材料，其含有可接触的Ni(II)位点，在30%相对湿度条件下实现了苯与SO2的同步捕获[22]。受限芳香族口袋中开放的Ni(II)位点能够协同容纳非极性和酸性分子于单一吸附剂内，这凸显了分子陷阱吸附剂在复杂环境中一步法去除多重目标物的适应性优势。为降低湿度对吸附剂的影响，提升骨架疏水性以及分离水分子与目标分子的结合位点是有效策略。在某些情况下，构建极性较低的空间陷阱口袋对于平衡目标物亲和力与耐湿性至关重要。
分子陷阱的应用范围也已扩展到具有挑战性的气体分离领域。精确识别有助于降低净化过程中的能耗，从而实现碳减排。类似于BUT-55中的苯陷阱，BUT-53中形成了类似火柴棍的 π 陷阱[13]。F··· π 相互作用使SF6分子在N2上保持稳定，并提升了BUT-53的突破性能。GNU-3被报道用于纳米分子陷阱，其通道表面修饰有芳香官能团，形成局部纳米捕获区域，可高效捕获SF6[14]。关于 SIFSIX -3-Ni和 SIFSIX -2-Cu-i的研究例证了碳氢化合物的分子陷阱原理。 SIFSIX -3-Ni的方形超微孔（约5.0 A × 7.5 A）与丙炔的6.5 A长度精确匹配，而丙烯则因空间位阻被排除[17]。丙炔的酸性C–H键通过多重C–H···F和四极偶极相互作用与氟化支柱接触，突破测试中选择性超过250。烷基框架ATC-Cu通过将相对相邻的Cu桨轮位点与致密排列的脂肪族空腔对齐，形成甲烷纳米陷阱[16]。这种构型形成了亲甲烷口袋，实现了创纪录的CH4吸附量和CH4/N2选择性，为煤矿甲烷捕集与分离确立了基准。
BUT-316-a是一种具有局域分子陷阱构型的Cu(II)框架，其相对相邻的Cu开放金属位点（OMSs，约2.5 A）协同作用，优先结合C2H2而非CO2。该材料展现出高体积吸附量和高选择性，同时保持适中的等排热以确保易于再生[18]。在吸附容量与分离性能方面，某些分子陷阱MOFs优于其他先进吸附剂（例如g功能化MOFs或沸石），且具有相当的稳定性和可扩展性[26–28]。在气体/蒸汽分离应用领域，分子陷阱吸附剂展现出卓越性能的实例不胜枚举，这些成果共同开创了吸附科学的新纪元。
总结与展望
总之，分子捕集技术已发展成为推动 MOF 吸附剂技术进步的通用设计准则，尤其在降低痕量污染物去除压力极限和提升商品气体净化质量方面成效显著。通过精准靶向特定分析物分子，既可按需调控孔径尺寸（体现尺寸适配性），又能优化孔道化学特性（增强主客体相互作用）。由此形成的多孔吸附载体平台，可将这些孔道转化为分子捕集装置，有效解决工业生产与环境治理中的关键问题。
在分子捕获 MOF 吸附剂的全部潜力得以实现之前，仍存在若干根本性挑战。首先，捕获环境的预测性设计仍存在局限：部分成功案例依赖经验性筛选，这凸显了在原子层面深入理解主客体相互作用机制的必要性。其次，虽然强结合能提升选择性，但可能阻碍再生与长期循环使用，实际应用中的能源效率问题也随之凸显。第三，现实操作环境中的湿度变化、竞争性杂质存在及浓度波动等因素，会显著增加系统复杂性，导致实验室条件下观察到的理想化性能常被削弱。要攻克这些挑战，需要更有效地结合先进表征技术（例如原位衍射与光谱技术）、多尺度模拟及数据驱动方法，从而建立更详尽的设计原则。
展望未来，分子陷阱概念将继续指导新一代吸附剂的设计，这些吸附剂不仅具备精准识别能力与痕量级捕获性能，其应用范围还将扩展至分子筛、共价有机框架（COFs）及氢键有机框架（HOFs）等多孔材料家族。该概念在各类框架材料中的适用性源于其固有的结构可编程性与可调控的主客体相互作用。通过在孔壁引入结合位点、构建尺寸/形状匹配的孔道结构，以及组合运用这些方法，可实现框架材料中局部分子陷阱的嫁接。除气体/蒸汽捕集与分离功能外，此类陷阱还可拓展至更广泛的应用领域，包括受限空间催化反应及客体介导的框架结构修饰。实际应用中，该技术为级联部署提供了可能：例如将捕获与催化转化相结合、将陷阱结构整合至可扩展过滤器或膜材料中，以及将应用范式从气体领域拓展至生物分子、离子或能量载体等更多维度。
网状化学技术可进一步与人工智能（AI）、计算工具及工程手段深度融合。在此背景下，分子捕集器将突破概念性框架，构建起应对清洁空气治理、碳中和目标及可持续化工生产等重大挑战的变革性平台。特别值得注意的是，通过将高通量分子模拟与数据驱动模型及机器学习算法相结合，可基于局部孔道几何结构与化学特性与低压吸附热力学及动力学之间的关联性，实现对最优捕集器的预测性筛选。经实验反馈验证的这类人工智能辅助筛选与设计策略，有望突破传统经验性试错方法的局限，加速新一代分子捕集材料的研发进程。
作者：李建荣*、司广瑞、何涛与孔向静
北京工业大学化学工程系，中国北京 100124
文章来源：https://www.sciengine.com/SCC/doi/10.1007/s11426-025-3250-9
