第一作者：关乾

通讯作者：区然雯、曾桂生

通讯单位：厦门大学、南昌航空大学

论文DOI: https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.02.013

MOF材料具有可定制的晶体结构，孔隙率高、比表面积大、稳定性优异、孔道结构规整可调控等优点，在过去的数十年获得了研究者的广泛关注。得益于MOF材料这一系列的优点，使得MOF材料在诸多领域中有着出色的表现。

刺激响应型材料可利用外界刺激改变其自身物理化学性质，从而将光、热、电、磁等信号可逆转化为化学信号。由于这类材料特殊的结构、活性位点开放和结构可逆的理化特性，近年来被广泛应用于食品科学、药物输送、海水淡化和自我修复等各个前沿领域。其中，刺激响应金属有机框架(MOF)材料是刺激响应型材料的一个前沿分支。为了构建具有刺激响应的MOF材料，人们开发了多种策略，包括引入可逆异构化分子、修饰侧基和改变拓扑结构。

然而，由于在受限分子环境中难以实现开关行为和分子结构的精细调控，设计和合成具有快速高效响应性能的刺激响应MOF材料仍然存在许多困难和挑战。此外，经过科研工作者的不懈努力，刺激响应MOF材料在各个前沿领域的应用已取得显著的进展，然而针对刺激响应MOF材料设计、制备和先进应用方向的综合综述文献比较欠缺。

基于此，厦门大学环境与生态学院水处理技术与水质安全团队区然雯课题组联合南昌航空大学环境与化学工程学院曾桂生教授在材料领域综合期刊Materials Today上发表了题为“Stimuli responsive metal organic framework materials towards advanced smart application”的综述论文。

该文介绍了刺激响应MOF材料的合理设计策略和刺激响应型材料的类型，并讨论了这类材料在离子吸附、二氧化碳捕获、药物递送、离子运输、载物和释放等先进应用方面的研究进展，同时，对刺激响应MOF材料的设计和合成提出了新的见解和展望。

图1. 刺激响应MOF材料的优点和接受环境刺激的响应类型

将各种能够接受环境刺激信号的分子集成到纳米材料在近几年得到了学者的广泛关注。然而，高密度纳米材料通常容易阻止这类分子在材料空间的水平或垂直移动。相比而言，具有可定制的晶体结构、高孔隙率、比表面积大、稳定性优异和规整可调控的孔道结构等优点的多孔MOF材料可以很好地解决这一问题，这进一步使得刺激响应MOF材料的开发成为可能。目前, 针对刺激响应MOF材料的设计合成通常可以从两个方向考虑和设计，包括分子设计 (即分子转子、分子开关) 和框架设计。

图2. 刺激响应MOF材料的设计策略: (a)分子转子，(b)分子开关，和(c)框架设计

要点二：刺激响应分子接受外界刺激信号的类型

近年来，一系列能够接受环境刺激信号（如，光响应、温度响应、pH响应、压力响应、电响应和湿度响应）的MOF材料已被陆续设计和开发，这些刺激响应MOF材料往往可以通过加载具有能够接受不同刺激信号的响应分子来实现，这一特点为研究人员优化材料响应性能提供了足够的空间。常见的刺激响应分子，如光响应的偶氮苯、螺吡喃和二芳基乙烯，热响应的N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯等，而其他材料的响应机理主要包括刺激响应MOF材料内两性物质的结构异构化、门控效应的开/关状态和官能团的质子化/脱质子化。

要点三：刺激响应MOF材料的先进运用

由于刺激响应MOF材料出色的化学多功能性、生物相容性以及可调节的孔径大小和孔道结构，因此在离子传输、离子吸附、二氧化碳捕获、药物输送和离子选择分离膜等多个领域显示出广阔的应用前景。对于离子吸附，响应分子在接受环境刺激信号的情况下会实现自身性质或结构的转变从而带上正负电荷，此时可以假设这类分子上的正电荷和负电荷基团可以作为吸附阴离子和阳离子的位点。此外，温敏组分与适量的离子吸附官能团共聚后，仍能有效改变共聚物链的状态，进而实现离子的吸附和脱附。

对于二氧化碳捕获，MOF材料在接受外界刺激响应信号时，可以实现自身的拓扑结构、尺寸和孔径发生改变，从而促进二氧化碳的吸附和气体分离。对于离子运输，通过外部环境刺激的作用，具有智能门控功能的人工纳米离子通道可以在开放和封闭状态之间进行调节，在开放状态下有助于提升离子通量，而在封闭状态下则相反。对于载物和释放，主要是利用MOF材料结构可调、孔径可调、生物相容性好、在酸性环境下化学稳定性高等优点，从而实现在外界刺激下，实现药物分子或其他大分子的装载和吸附。

图3. 刺激响应MOF材料在离子吸附领域的运用

图4. 刺激响应MOF材料在二氧化碳捕获领域的运用

图5. 刺激响应MOF材料在分子装载与释放领域的运用

图6. 刺激响应MOF材料在离子传输领域的运用

要点四：见解和展望

我们认为，要获得更好的优化刺激响应MOF材料的响应性能，必须充分考虑以下四个要求：

①选择特定的活性单元/离子、响应分子或官能团加载到刺激响应MOF材料中；

②设计和合成具有丰富开放孔隙和高活性位点的响应MOF材料，以快速锁定响应分子；

③提供特定的分子环境，促进分子重排和结构转化；

④提高MOF框架结构稳定性，避免因结构变化而发生整体或局部倒塌。

此外，设计和研发能够响应多重刺激和快速高效响应的MOF材料是未来研究的主要方向。基于此，在未来的研究中，可以考虑引入能够对多重刺激响应的分子以实现快速高效接收环境的刺激信号，同时也可以考虑将各种刺激响应MOF材料引入膜基材中，用以构建能够识别环境刺激因素的“仿生智能膜”材料。这些策略都可以更好地优化材料的响应性能，拓宽刺激响应MOF材料在更多领域的应用。

Stimuli responsive metal organic framework materials towards advanced smart application

区然雯，厦门大学环境与生态学院副教授，博士生导师。自2011年起先后师从中国科学技术大学徐铜文教授和澳大利亚莫纳什大学王焕庭教授，开展吸附技术与膜分离技术的相关研究。近年来，区然雯副教授以光敏/温敏材料为光热利用的介质，通过耦合阳光和工业废热在海水淡化、废水处理和资源回收等相关领域开展了系列研究工作，在Nat Sustain.、Adv. Mater.、Mater. Today、Chem. Mater.等期刊发表了多篇论文。

博士后岗位招聘

研究方向：

环境功能材料的开发与应用

合作导师：

区然雯，厦门大学副教授、博士生导师，厦门大学南强青年拔尖人才计划B类。先后毕业或工作于华南理工大学（学士）、中国科学技术大学（硕士）和澳大利亚莫纳什大学（博士和博士后）。主要研究方向为可持续水处理技术，包括利用废热/阳光再生的吸附体系、结合废热利用和废水处理的膜分离体系；在Nat Sustain.、Adv. Mater.、Mater. Today、Chem. Mater.等国际主流期刊上发表论文30余篇。

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招聘条件：

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2、具有海内外高校、科研院所博士学位，获得博士学位一般不超过3年；

3、环境、化学、化工、材料等相关专业背景；

4、符合学校及学院博士后招收的其他条件。