金屬有機骨架（MOF）是通過強鍵來連接無機和有機單元而制成的網狀骨架結構。這種結構可以靈活地更改組成部分的幾何形狀、大小和功能的靈活性。據不完全統計，在過去十年中，科學家報告和研究了超過20000種不同的MOFs。
有機單元是二位或多位有機羧酸鹽（和其他類似的帶負電荷的分子），當其與含金屬的單元連接時，會產生結構堅固的結晶MOF結構，該結構的典型孔隙率比一般的MOF晶體體積大50％。這種MOF的表面積值通常在1000至10,000 m^2 / g的范圍內，因此超過了傳統多孔材料如沸石和碳的表面積值。
迄今為止，具有永久孔隙度的MOF的多樣性要比其他任何種類的多孔材料都要廣泛。這些方面的研究使MOF成為燃料（氫氣和甲烷）的存儲、二氧化碳的捕獲以及催化應用的理想候選材料。
有鑒于此，美國加州大學伯克利分校的Hiroyasu Furukawa在MOF先驅Omar M. Yaghi教授的帶領下，在Science雜志發表了題為“The Chemistry and Applications of Metal-Organic Frameworks/金屬有機骨架的化學及其應用”的綜述文章。
MOF的結構
金屬有機骨架（MOF）結構適合在其內部擴展和合并多個官能團。（A）MOF的等網狀擴展通過使用有機鏈接器的擴展版本來保持網絡的拓撲結構。（B）多元MOF（MTV-MOF）的概念圖，其孔由按特定順序排列的功能異質混合物裝飾。
MOF四十年發展歷程
圖1. 1971-201 年，劍橋結構數據庫（CSD）報告了金屬-有機框架結構（1D、2D 和 3D）數量示意圖
在此期間，所有結構類型都呈顯著增長趨勢。特別是，3D的MOF數量的翻倍時間是所有報告的金屬-有機結構(MOF)中數量最多的。
各種二級結構和有機連接基
圖2.的無機二級結構單元（A）和有機連接基（B）。
圖中的顏色代碼：黑色，C；; 綠色，N；黃色，S；紫色，P；淺綠色，Cl；藍色多面體，金屬離子。
圖4.超高孔隙度MOF的合成進展示意圖
MOF和典型常規材料的BET表面積是根據氣體吸附測量值估算的。括號中的值代表這些材料的孔體積（cm^3 / g）。由該圖可以看出，隨著多孔結構的研究的發展，多孔結構的孔體積有了極大的提升。從早期的沸石的0.3一直緩慢發展到1999年的MOF-5的1.04，進入新世紀，該研究有突飛猛進的進展，從2004年的MIL-100的1.10開始一直到2012年的Bio-MOF-100de 4.3。相比較最開始的沸石，2012年的最新的研究比早期的提升了6倍的比表面積。
多孔結構與生物結構
圖5.一些用途廣泛的材料的晶體化學結構示意圖
這些用途廣泛的材料（金屬，合金，硅，金屬氧化物，沸石和聚合物）是由幾種類型的結構單元（一到三種）構成的，以制造自相似（圖左側）的材料，其中此類結構單元會在整個材料中定期重復。而在生物結構（蛋白質，RNA和DNA）中發現的具有三個以上構建單元的合成晶體的例子很少。所以，以MOF的構造為例，通過牢固的網狀化學鍵將結構單元連接起來，對于開發“超出范圍的材料”的結構（例如DNA）和功能空間很有用。
異質性MOF材料
圖6. 在晶體材料中產生異質性的示例
（A）MTV-MOF-5，其中功能的異質混合物裝飾著晶體的內部，以提供一個能夠高度選擇性地結合二氧化碳的環境。（B）MOCA合成的原理圖表示，MOCA具有通過按特定序列排列金屬復合物來提供與序列相關特性而創造的異質性。（C）在MOF晶體（pmg-MOF-5）中產生的異質性，其中中孢子和宏孔被包裹在微孔MOF-5中，以產生不尋常的二氧化碳捕獲特性。（D）由具有聚醚環的接頭構建的MOF（MOF-1001），其本身能夠產生立體電子特異性結合底物百草枯（PQT2 +）。
結語
自從十多年前最初報道以來，MOF的化學和應用已有了長足發展。盡管很難排除由有限數量的基礎結構的MOF產生重大進步的可能性，但我們相信，MOF的未來可以成為成分眾多且系統性的功能材料。
參考文獻
Hiroyasu Furukawa et al., The Chemistry and Applications of Metal-Organic Frameworks, Science, 2013
DOI: 10.1126/science.1230444
http://science.sciencemag.org/content/341/6149/1230444
