摘要

有害污染物的治理仍是一项严峻的环境与公共卫生挑战，亟需能够高效捕获、净化并具备潜在再利用能力的创新材料。金属有机框架（MOFs）凭借其可调的孔隙结构、化学多样性与功能模块化特性，已成为应对这一需求的重要平台。本文系统评述了基于MOFs的多种重点污染物治理策略的最新进展，涵盖化学战剂（CWAs）、二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NOx）、氨气（NH₃）、硫化氢（H₂S）以及挥发性有机物（VOCs）等。

针对每类污染物，我们首先探讨其排放来源、环境影响及治理中面临的关键挑战；进而深入阐述在实际工况下MOFs用于污染物捕获、转化为无害物质的中和（脱毒）作用，以及通过转化为高附加值产品实现资源化再利用的策略，为可持续发展目标的实现提供可行路径。通过贯通污染物的捕获、净化与再利用全过程，本综述为推进MOFs材料在污染物可持续管理中的应用构建了一个系统性框架。

要点解析

尽管清洁能源技术日益普及，但危险污染物排放仍是严峻挑战。传统治理技术存在能耗高、选择性差、难再生等局限。金属有机框架（MOF）材料因其超高比表面积、结构可调性和多功能集成优势，为实现污染物的高效捕获、原位解毒及资源化再利用提供了创新解决方案，推动污染治理从单一去除向可持续资源循环模式转变。

化学战剂及其模拟物因剧毒性和持久性构成重大威胁。其治理主要通过水解（破坏P中心键）和氧化（靶向低氧化态官能团）两种路径实现解毒。金属有机框架（MOFs）如UiO-66、MOF-808等通过路易斯酸性位点、氨基修饰及金属节点羟基等策略，可高效捕获典型模拟物DMMP和CEES。其中Zr-MOFs节点固有水/羟基官能团在增强吸附亲和力方面展现出独特优势，为实用化吸附材料设计提供了经济有效的途径。

 化学战剂及其模拟物的高效解毒主要通过水解与氧化两种机制实现。水解路径以Zr-MOFs为代表，通过低配位节点、缺连接体缺陷及氨基功能化等策略，协同强化路易斯酸位点与亲核试剂OH⁻的催化作用。氧化路径则利用MOFs中的光活性位点（如卟啉、芘）在光照下产生单线态氧实现选择性降解。面向实际应用，开发MOF-纤维复合材料成为关键趋势，旨在结合催化活性与穿戴实用性，但需精细控制条件以避免生成剧毒过度氧化副产物。

二氧化硫（SO₂）是主要硫氧化物污染物，源自化石燃料与工业过程，危害健康并导致酸雨等环境问题。传统烟气脱硫技术难以深度净化至痕量水平。MOFs凭借其可调控的孔隙与活性位点，展现出高效吸附痕量SO₂的潜力，同时可将捕获的SO₂转化为硫酸盐、芳基N-氨基磺酰胺等高附加值化学品，实现了污染物治理与资源化利用的双重目标。

SO₂的MOF高效捕获依赖于开放金属位点、无机阴离子柱及极性内表面等结构特性，其中SIFSIX系列材料通过强静电相互作用展现优异选择性。性能提升策略包括金属节点调控、有机连接体胺基功能化及单晶形态工程，而MOF-聚合物复合材料可增强潮湿环境下稳定性。突破传统“捕获-释放”模式，捕获的SO₂可在框架内原位转化为硫酸盐、芳基N-氨基磺酰胺等高附加值化学品，实现“捕获-转化”一体化，但将其催化还原为单质硫等深度资源化路径仍需进一步探索。

氮氧化物（NOx）主要包含NO和NO₂，对健康与环境构成严重威胁。MOFs治理策略聚焦两条路径：一是催化还原NO，通过调控具有氧化还原活性的金属节点（如Mn、Fe、Cu）及构建多级孔衍生材料，提升中低温SCR活性和抗水抗硫性能；二是捕获并资源化NO₂，借助氨基功能化、孔径调控及金属节点修饰等策略增强吸附选择性与稳定性，并将捕获的NO₂转化为硝酸或有机硝基化合物等高附加值产品，实现污染治理与资源回收双重效益。

NO₂的深度净化可通过催化还原为氮气（N₂）实现。研究采用非热等离子体（NTP）耦合铜基MOFs（如Cu/UiO-66、Cu/MFM-300(Al)）的策略，在常温无外加还原剂条件下，通过Cu位点与羟基位点吸附NO₂形成硝基/硝酸盐中间体，经NTP活化后高效转化为N₂并再生活性位点。该技术为温和条件下实现NO₂彻底无害化与资源回收提供了创新路径。

硫化氢（H₂S）是一种剧毒恶臭气体，传统化学洗涤法存在废物多、能耗高、腐蚀性强等局限。金属有机框架（MOFs）通过开放金属位点、极性基团功能化及结构调制，可实现H₂S的高选择性可逆捕获，但需避免金属硫化物生成导致的结构失稳。捕获的硫物种可在框架内转化为多硫化物用于锂硫电池正极，或通过TiO₂@MOF核壳体系光催化氧化为硫酸盐，实现了从污染捕获到高值资源化利用的转变。

 H₂S的化学中和可通过催化氧化为单质硫（S）实现，其核心是MOFs中金属节点的氧化还原循环（如MIL-100(Fe)的Fe³⁺/Fe²⁺）。H₂S在路易斯酸位点吸附后，可被Fe³⁺直接氧化或解离为HS⁻后被吸附氧物种氧化，同时氧气再生高价金属位点以维持催化循环。引入氨基、掺杂缺电子金属（如Al）或构建Fe₂O₃/UiO-66等复合材料，能通过增强吸附、调控电子密度及促进电子转移来提升氧化效率与硫选择性。

氨气（NH₃）排放主要来自工农业活动，会促进PM2.5生成并导致富营养化等问题。MOFs可通过其可调控的孔隙与活性位点，在不同压力下高效吸附NH₃，并可作为固态储氨材料用于车载能源载体。此外，MOF基光催化剂可将水体中的氨氮降解为无害氮物种，为NH₃的捕获、资源化利用及深度净化提供了多路径解决方案。

 MOFs在不同压力下对NH₃均展现出优异吸附性能，其性能优化关键在于材料本征设计与功能化策略：高稳定性金属节点（如Zr⁴⁺、Al³⁺）是基础；有机连接体引入─COOH、─NH₂等官能团可增强吸附作用；金属节点修饰（如Cu⁺/Cu²⁺对）及与离子液体/氧化石墨烯复合能进一步提升容量与选择性。捕获的NH₃可经脱附后直接资源化利用，也可通过MOF基光/电催化剂降解为N₂等无害产物，实现从高效捕获到深度净化的闭环管理。

挥发性有机物（VOCs）来源广泛、危害严重，其治理面临痕量吸附与深度净化双重挑战。MOFs通过构建疏水框架、引入羟基等官能团及形成复合材料，可提升对BTEX、醇类、甲醛等典型VOCs的吸附选择性与容量。在催化转化方面，MOF衍生材料（如贵金属/过渡金属氧化物修饰）通过晶格氧氧化与活性氧介导机制，在常温至中温区间高效降解VOCs为CO₂/H₂O，或选择性氧化为醛类等高附加值化学品，实现了从捕获到资源化利用的协同治理。

 MOF用于污染物治理的实际应用，需重点关注材料在潮湿、竞争吸附及循环工况下的长期稳定性与选择性。设计应遵循硬软酸碱理论，选用高价金属节点与稳定配体以抵抗腐蚀，并平衡吸附强度与可逆性。人工智能可辅助从海量结构中筛选高性能候选材料。规模化需考量时空产率、后处理成本及废弃配体循环利用。最终，材料必须制成滤芯、涂层等实用形态，并在模拟真实环境的连续流动体系中进行痕量污染物脱除与转化性能验证。

结论

金属有机框架（MOFs）作为一种多功能材料，在污染物治理领域展现出从选择性捕获、催化解毒到资源化再利用的全链条应用潜力。本综述系统梳理了MOFs对CWAs、SO₂、NOx、H₂S、NH₃及VOCs等典型污染物的治理策略，强调需平衡吸附强度与位点可逆性，并通过金属节点调控、连接体功能化、衍生材料构建等普适性策略优化性能。

针对不同污染物特性，未来需发展针对性的材料设计：如CWAs需快速痕量响应、SO₂/NOx侧重潮湿酸性环境稳定性与还原转化、NH₃/H₂S强化酸碱作用与循环利用、VOCs提升低浓度选择性及光催化降解能力。推动实际应用还需突破规模化制备瓶颈，开发纤维负载等实用形态，并在连续流动体系中验证其痕量污染物脱除效能。人工智能辅助筛选与跨污染物策略迁移将加速高性能MOFs的开发，最终推动该技术从实验室走向真实环境治理。

文章来源：公众号【MOFs应用与市场】