陈志杰课题组JACS：有序的复杂性：面向清洁能源气体存储的高孔隙多组分金属有机框架
高效储存甲烷和氢气是实现碳中和能源循环的关键挑战之一。金属有机框架（MOFs）因其超高比表面积和可调孔道结构，被视为极具潜力的吸附储气材料。然而，许多高孔隙MOF（如NU-1501、DUT-60）在常规溶剂活化过程中易发生孔道坍塌，需依赖超临界CO₂这种苛刻条件才能充分激活，严重限制了其实际应用。如何在保持超高孔隙率的同时维持框架的结构稳定性，仍是该领域亟待解决的核心问题。
近日，我系陈志杰研究员课题组提出了一种几何导向的网格合成策略（geometry-directed reticular strategy），通过精准匹配9-连接的μ₃-氧中心三核金属簇、6-连接三棱柱构型的羧酸配体（PET-2）以及3-连接三角形构型的吡啶基配体（TPY），成功实现了多组分定向组装，构筑出具有(3,6,9)-连接 tsn拓扑网络的高孔隙MOF——tsn-MOF-1。该成果以“Complexity in Order: High-Porosity Multicomponent Metal–Organic Frameworks for Clean Energy Gas Storage”为题发表于 Journal of the American Chemical Society（DOI: 10.1021/jacs.5c15567）。浙江大学化学系为第一署名单位，陈志杰研究员为唯一通讯作者，硕士生钟远龙为本文第一作者。课题组研究生方溥皓、翟梦阳和本科生罗政宇共同参与本研究。本工作得到了国家自然科学基金（No. 22471237和 No. 22201247）、浙江省自然科学基金（No. LR25B010001）、中央高校基本科研业务费（No. 226-2025-00108）等资助。
图1：tsn拓扑网络及tsn-MOF-1的组装示意图
tsn网络是由三维6-连接 acs网络与二维3-连接 hcb网络通过“合并网络”（merged-net）策略融合而成的(3,6,9)-连接拓扑结构。其中，acs网络中的三角棱柱单元与 hcb网络中的三角形单元协同构筑出9-连接的“加帽三角棱柱”节点。基于该拓扑模型，课题组以具有 acs拓扑的NU-1501-Fe为设计基础，定向设计并合成了角度与长度匹配的3-连接吡啶基配体TPY作为第二配体，并通过溶剂热法，将μ₃-氧中心三核铁簇（Fe₃）、6-连接羧酸配体PET-2与3-连接吡啶基配体TPY精准组装，成功合成了具有 tsn拓扑的 tsn-MOF-1-Fe₃，实现了分子尺度上几何构型与尺寸的精确匹配。单晶X射线衍射分析表明，tsn-MOF-1-Fe₃结晶于六方晶系（空间群 P-6m2），每个Fe₃簇同时连接6个PET-2和3个TPY配体，形成高度有序的三维框架。
图2：tsn-MOF-1-Fe₃与NU-1501-Fe经不同活化方式处理后的77 K的氮气吸附等温线对比
在常规溶剂（如二氯甲烷、丙酮、正己烷）活化条件下，tsn-MOF-1-Fe₃仍保持完整微孔结构，展现出高达5100 m² g⁻¹的BET比表面积和2.11 cm³ g⁻¹的实验孔体积。作为对比，母体结构高孔隙率的NU-1501-Fe在二氯甲烷活化后发生严重坍塌，仅能通过超临界CO₂活化维持其孔隙结构。该结果表明：通过引入第三组分配体，将金属簇的连接数由6提升至9，显著增强了框架的结构鲁棒性，成功实现了“高孔隙率”与“高稳定性”的协同统一。
得益于其优异的孔隙结构、高比表面积以及出色的结构鲁棒性，tsn-MOF-1-Fe₃在低温甲烷与氢气存储条件下展现出卓越的综合吸附性能，其甲烷和氢气的工作容量在关键评估指标上均超越了美国能源部（DOE）设定的目标值，有效兼顾了质量吸附容量与体积存储效率，充分彰显其作为下一代清洁能源气体吸附材料的应用前景与潜力。
图3：tsn-MOF-1-Fe3的甲烷吸附性能测试
图4：tsn-MOF-1-Fe3的氢气吸附性能测试
综上所述，本工作通过几何导向的多组分网格合成策略，成功构建了兼具高连接性、高孔隙率与强结构稳定性的tsn-MOF-1-Fe3，不仅解决了常规高孔性MOF难以常规活化的难题，还为甲烷和氢气的高效、安全提供了高性能材料候选。该研究进一步拓展了“合并网络”设计在复杂MOF构筑中的应用边界，为面向碳中和的先进吸附材料开发开辟了新路径。
论文详情：Yuanlong Zhong, Puhao Fang, Mengyang Zhai, Zhengyu Low, and Zhijie Chen*, Complexity in Order: High-Porosity Multicomponent Metal–Organic Frameworks for Clean Energy Gas Storage. J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c15567.
课题组/导师主页: https://person.zju.edu.cn/zhijiechen
文字：陈志杰研究员课题组
编辑：黄珍珍、邹尔纯
审核：陆展