金屬有機框架（Metal Organic Frameworks，簡稱MOF）因其編織的孔道結構與可設計性，獲得了本年度諾貝爾化學獎——2025年諾貝爾化學獎授予了北川進（Susumu Kitagawa）、理查德·羅布森（Richard Robson）與奧馬爾·亞吉（Omar M. Yaghi）三位科學家，以表彰他們在MOF領域的開創性貢獻。這一里程碑式的獎項，使“以MOF材料重塑界面”的思路再次成為材料化學與能源器件領域的焦點話題。
什么是金屬有機框架（MOF）
顧名思義，金屬有機框架（MOF）是一類由金屬離子或簇作為節點、有機分子作為連接橋梁自組裝而成的一維、二維或三維結構。這種獨特結構賦予了MOF極高的比表面積和可調性：分子尺度的孔道不僅為各種客體分子提供了“容身之所”，還允許它們可逆地進出框架，實現選擇性的吸附與分離。依托這種納米孔道，MOF展現出極其廣泛的用途。例如，研究人員已經利用某些MOF從干燥的沙漠空氣中收集水分、從水中去除污染物、捕獲溫室氣體二氧化碳，甚至儲存氫氣等氣體。憑借組分和結構上的可設計性，化學家可以針對不同應用需求來“量身定制”MOF的孔徑大小和表面功能基團，使其成為一類高度可定制的功能材料。正如諾獎委員會所評價的：“金屬有機框架材料具有巨大潛力，為定制具備新功能的材料帶來了前所未有的機會”。
圖1 | MOF示意圖
MOF晶體結構中含有大量規整的納米孔穴，氣體和其他分子可以在其中自由進出。用于選擇性地捕獲分子（離子），也可用于催化化學反應或傳導離子。
框架材料榮膺諾獎：MOF領域的里程碑認可
經過近30年的發展，MOF已從實驗室逐步走向解決現實問題的核心材料。早在1989年，羅布森就首次嘗試利用金屬離子和有機配體構筑出了內部充滿孔洞的晶體。隨后北川進證明了氣體分子能夠可逆進入并流出MOF孔道，驗證了這類材料的開放多孔和“可呼吸”特性；奧馬爾·亞吉則合成了首個結構穩定且永久多孔的MOF晶體，并提出了“網狀化學”（Reticular Chemistry）的概念，為按需設計MOF功能提供了理論基礎。如今，MOF材料在環境、能源等領域展現出巨大潛能。
值得關注的是，MOF也為新能源材料領域提供了全新的思路：能否利用MOF這樣的框架材料來重塑電池界面，從而突破傳統材料的性能瓶頸？
MOF外延層：4.2V固態鈉電池界面穩定的新方案
探索MOF在正極材料表面上的外延生長行為，是在正極顆粒表面“定制功能化MOF”的關鍵。近期，中國科學院物理研究所陳立泉院士團隊從“配體-襯底”吸附能出發，完整闡釋了各向同性MOF外延層（MET-6）在高電壓正極材料Na?V?O?(PO?)?F（NVOPF）表面上的生長行為。這一發現不僅解決了PEO基聚合物固體電解質高電壓分解的挑戰，并為MOF外延層用于電極材料鋪平道路。
圖 2｜表面工程與Na?傳輸機制示意圖
a 傳統涂層、各向異性外延層與各向同性外延層的生長行為對比示意圖。b MOF外延層的設計示意圖。MOF外延層由吸附在NVOPF表面的配體觸發形成。作為固態電解質，MOF 提供Na?傳輸通道。
具體而言，與傳統包覆層不同，各向同性MOF（MET-6）外延層不僅完全鈍化了NVOPF的暴露面，MOF自身開放的框架結構還提供了Na?擴散通道。在提升正極側界面穩定性的同時，還保留了優異的倍率性能。在電化學性能測試中，MOF界面層展現出令人矚目的效果。
綜上，這項工作通過各向同性MOF外延生長這一創新策略，成功解決了長期困擾固態鈉電池的高電壓界面不穩定難題。在4.2V高電壓下，PEO基固態鈉電池實現了長壽命穩定循環，為高能量密度儲能器件的界面工程提供了全新的設計范式。隨著MOF材料體系和合成工藝的持續優化，這一框架材料重塑界面的策略有望在下一代高安全、高能量密度電池技術中發揮關鍵作用，加速固態電池從實驗室走向實際應用。
本研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院專項和北京市自然科學基金等項目的資助。相關成果以“Designing an isotropic epilayer for stable 4.2 V solid-state Na batteries”為題，發表于2025年9月的《自然·能源》（Nature Energy）期刊。
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