MOF新材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展策略

鄭明月 盧國勝

1 MOF新材料的性能及用途

1.1 MOF新材料的定義

金屬—有機骨架（Metal–Organic Frameworks，MOF）材料是由無機結(jié)構(gòu)單元（金屬離子或金屬簇）與有機配體（羧酸、磷酸酯或含氮配體等）通過配位鍵連接而成的，具有周期性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新興多孔功能材料。MOF中的有機配體稱為連接體（linkers），金屬離子或簇稱為節(jié)點（nodes），由二者自組裝為有周期性結(jié)構(gòu)的配位化合物。

1.2 MOF新材料的起源與發(fā)展

美國加州大學(xué)伯克利分校的Omar M.Yaghi教授研究小組首先發(fā)現(xiàn)并命名MOF新材料，并于1995年將此項成果在Nature雜志上進行報道。國外研究團隊包括美國Williams研究組、Jeffery Long研究組、林文斌教授研究組、周宏才教授研究組；法國的Gérard Férey研究組；日本的M.Fujita（藤田誠）研究組和Susumu Kitagawa（北川進）研究組等一批科學(xué)家陸續(xù)報道了MOF新材料的合成以及在催化、生物及氣體吸附等方面的應(yīng)用。技術(shù)進展?fàn)顩r。目前，MOF新材料的合成方法主要有溶劑（水）熱合成法、微波合成法、聲化學(xué)合成法、機械化學(xué)合成法、噴霧干燥合成法和微通道連續(xù)合成法等，實驗室已經(jīng)合成了80 000多種MOF材料，但是尚未實現(xiàn)統(tǒng)一的分類。

1.3 MOF新材料的性能及應(yīng)用領(lǐng)域

從材料性能來看，MOF新材料具有可設(shè)計的豐富的結(jié)構(gòu)類型，低密度、永久孔洞、超高的比表面積（1g MOF材料的表面積有一個足球場大?。┖涂晒δ芑目卓臻g等特性。

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，MOF新材料可應(yīng)用于能源存儲（氫氣儲存、甲烷存儲、儲水）、吸附與分離（二氧化碳捕獲、工業(yè)氣體分離、空氣凈化、廢水處理）、催化（熱催化、光催化、電催化）、傳感、生物醫(yī)藥（藥物運輸、血液透析、光動力療法）等領(lǐng)域。

從市場規(guī)模來看，有數(shù)據(jù)顯示，2020年MOF全球市場規(guī)模為2億美元，2026年將增加至8.38億美元，擴大4.19倍。

2 國內(nèi)外MOF新材料的研究和產(chǎn)業(yè)化對比

2.1 國外MOF新材料應(yīng)用領(lǐng)域廣，產(chǎn)業(yè)化程度較高

英國MOF Technologies 公司由University of St Andrews創(chuàng)立，與全球創(chuàng)傷治療中心和醫(yī)療設(shè)備制造商合作，進行泌尿?qū)Ч芸咕材ず退ｕr膜等產(chǎn)品開發(fā)。美國NuMat Technologies公司等與美國國防高級研究計劃局合作，利用MOF捕捉空氣中的水分，制作飲用水；與半導(dǎo)體行業(yè)、醫(yī)療保健以及工業(yè)領(lǐng)域等多家企業(yè)合作，推出了儲存電子工業(yè)中使用的有害氣體的產(chǎn)品和氣瓶ION—X；與Decco合作推出了用來吸附乙烯的產(chǎn)品“TruPick”，延長果實保存時間。2018年NuMat Technologies公司獲得由OS Fund領(lǐng)投的1 240萬美元B輪融資。Mosaic Materials公司業(yè)務(wù)是二氧化碳分離工藝的商業(yè)化生產(chǎn)，與加拿大Svante公司合作對燃煤電廠煙氣進行試點示范。EnergyX公司與奧斯陸大學(xué)成立的ProfMOF公司，涉及可再生能源以及大規(guī)模鋰離子生產(chǎn)和電池儲能項目的開發(fā)。日本豐田實驗室開展MOF在包括鋰離子電池在內(nèi)的電池領(lǐng)域的應(yīng)用研究。Ohara Paragium Chemical公司與東京大學(xué)合作，將MOF與活性炭結(jié)合造粒，制作出日本首個商業(yè)化顆粒產(chǎn)品（Tablet），用于瞬間除臭劑制品和空氣凈化器。日本氟工業(yè)株式會社（Nippon Fusso）為保護化工廠使用的金屬儲存罐表面的涂布，實現(xiàn)了MOF的實用化。源自京都大學(xué)的初創(chuàng)企業(yè)Atomis提供了采用京都大學(xué)特聘教授北川進的技術(shù)的材料。日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)的低碳社會戰(zhàn)略中心，推動“直接空氣碳捕獲（DAC）”，成本有可能大幅下降。德國巴斯夫公司（BASF）通過與Yaghi和福特汽車合作，推出甲烷的MOF儲存體系，低氣壓下能儲存更多甲烷，擴大容器燃料填充量。巴斯夫一直開發(fā)用于氣體分離和儲藏、水吸收等的多種MOF新材料，并不斷向能源、汽車和電子等廣泛行業(yè)推廣。

2.2 我國MOF新材料產(chǎn)業(yè)處于起步階段，產(chǎn)業(yè)成熟度亟需提高

一是空氣凈化產(chǎn)業(yè)起步較早。2017年北京理工大學(xué)教授王博團隊的MOF新材料空氣凈化項目落戶嘉善新科技產(chǎn)業(yè)園，并計劃打造一個智能材料的產(chǎn)業(yè)集群，但項目成熟度不及預(yù)期。二是部分企業(yè)源自納米材料企業(yè)。功能納米材料研制與銷售企業(yè)具備技術(shù)、人才、研發(fā)、市場及生產(chǎn)優(yōu)勢，拓展MOF材料業(yè)務(wù)難度小，成功率較高。例如江蘇先豐納米材料科技有限公司、杭州禾石新材料科技有限公司等企業(yè)，先后開展MOF新材料生產(chǎn)業(yè)務(wù)。三是初創(chuàng)企業(yè)研發(fā)能力強，規(guī)模小。初創(chuàng)企業(yè)的核心研發(fā)團隊主要來自中科院、上海交通大學(xué)、美國西北大學(xué)等國內(nèi)外名校，普遍年輕，創(chuàng)新能力強，具備持續(xù)研發(fā)動力，但企業(yè)規(guī)模普遍不大，研發(fā)條件相對單薄。例如上海常葳實業(yè)發(fā)展有限公司、上?？瑯浠瘜W(xué)科技有限公司等。

2.3 MOF新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展痛點

一是產(chǎn)業(yè)化種類少。目前應(yīng)用于商業(yè)的MOF材料種類較少，產(chǎn)業(yè)界仍然缺少批量的技術(shù)驗證，多數(shù)產(chǎn)品停留在基礎(chǔ)研究和中試階段。二是成本高。MOF新材料前體成本較高，制備方法耗能較高，節(jié)能、高效制備工藝不成熟，工業(yè)化生產(chǎn)不具成本優(yōu)勢。三是使用效果不佳。多數(shù)MOF新材料機械強度較低、熱穩(wěn)定性差；單一性能良好，綜合性能差，使用效果達不到預(yù)期。

2.4 我國MOF新材料產(chǎn)業(yè)與國外的主要差距

一是技術(shù)成熟度低。我國MOF新材料研究起步晚，核心成員多為國外專家的學(xué)生或合作伙伴，技術(shù)成熟度低，核心專利較少。二是產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域窄。美國、日本等國的MOF新材料應(yīng)用在催化、儲能、生物醫(yī)藥、氣體吸附分離、傳感器等多領(lǐng)域，我國研究領(lǐng)域廣泛，但產(chǎn)業(yè)化只在氣體吸附分離等少數(shù)領(lǐng)域。三是投資規(guī)模小。我國天使投資成熟度較低，更不擅長新材料投資，投資人專業(yè)度不夠，MOF新材料投資項目少，單體項目投資額度低。四是大集團引領(lǐng)不足。我國MOF新材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化過程中新材料、化工和有色金屬大集團幾乎沒有參與，難以發(fā)揮德國巴斯夫和美國霍尼韋爾此類跨國集團對新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的強大推動作用。

3 對策建議

3.1 適當(dāng)增大研發(fā)投入，提高產(chǎn)業(yè)成熟度

一是設(shè)立研發(fā)課題。在不同層面設(shè)立MOF新材料研發(fā)及全面應(yīng)用研發(fā)課題，夯實新材料研發(fā)基礎(chǔ)，為全面產(chǎn)業(yè)化做好準備。二是加大國際研發(fā)合作。擴大與美國、日本、歐洲的高校及科研院所的合作廣度和深度，培養(yǎng)更多研發(fā)人才，交流更多創(chuàng)新理念和思路，開拓MOF新材料更深、更廣的研究領(lǐng)域。三是實施共享研發(fā)。在全國范圍實施“實驗器材共享計劃”，先試點，通過金融租賃、集中經(jīng)營等多重手段，將域內(nèi)盡量多的大型實驗裝備（特別是基礎(chǔ)實驗和檢測設(shè)備）盤活、共享，徹底解決企業(yè)（特別是中小企業(yè)）設(shè)備買不起、研發(fā)成本高問題。最后總結(jié)經(jīng)驗，在全國推廣。

3.2 做好產(chǎn)—研對接，擴大產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域

一是研發(fā)人員創(chuàng)辦企業(yè)。鼓勵一線研發(fā)人員直接或以技術(shù)入股形式創(chuàng)辦企業(yè)，明確研發(fā)人員與所在單位在項目盈利后的分成機制，位科學(xué)家鋪平由研發(fā)到產(chǎn)業(yè)的道路。二是鼓勵企業(yè)與研發(fā)人員聯(lián)合。MOF新材料應(yīng)用企業(yè)主動與相關(guān)領(lǐng)域研究人員結(jié)合（包括引進國外團隊），開拓產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，開闊應(yīng)用場景，為相關(guān)企業(yè)創(chuàng)造更大效益。三是引進國外相關(guān)領(lǐng)域企業(yè)。在產(chǎn)業(yè)空白領(lǐng)域引進國外相關(guān)企業(yè)，以合資或股權(quán)合作的形勢填補國內(nèi)空白，補齊短板，再逐步實現(xiàn)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。

3.3 創(chuàng)新基金投資模式，增加產(chǎn)業(yè)投資規(guī)模

一是地方產(chǎn)業(yè)基金參與投資。推廣合肥京東方股權(quán)投資經(jīng)驗，引導(dǎo)地方政府（特別是地級市一級政府）成立產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)基金（母基金）和細分產(chǎn)業(yè)基金（子基金），并合理放寬考核制度（實施黑名單制），為地方產(chǎn)業(yè)引進增量，為MOF新材料產(chǎn)業(yè)落地提供更好環(huán)境（但在發(fā)展痛點解決之前，要防止MOF新材料產(chǎn)業(yè)過熱）。二是私募基金加快成長。創(chuàng)新私募基金管理辦法，學(xué)習(xí)歐美國家私募基金管理模式，在合理控制風(fēng)險的前提下，賦予基金更靈活的投資額度和投資自由度。三是做好基金經(jīng)理專業(yè)知識培訓(xùn)。對基金經(jīng)理進行相關(guān)投資領(lǐng)域的專業(yè)知識培訓(xùn)和產(chǎn)業(yè)動向培訓(xùn)，讓基金經(jīng)理具備一定的行業(yè)理解能力和辨析能力，為產(chǎn)業(yè)投資順利落地創(chuàng)造條件。

3.4 變革合作模式，大企業(yè)主導(dǎo)新產(chǎn)業(yè)發(fā)展

一是大集團成立新產(chǎn)業(yè)投資部。鼓勵事業(yè)大集團成立與主業(yè)相關(guān)的新產(chǎn)業(yè)投資部，專注于相關(guān)領(lǐng)域的股權(quán)投資，為企業(yè)發(fā)展尋找增新長極。二是大集團積極并購新產(chǎn)業(yè)的中小企業(yè)。新興產(chǎn)業(yè)的初創(chuàng)企業(yè)規(guī)模小、抗風(fēng)險能力差，依托大企業(yè)可以提高創(chuàng)業(yè)的成功率，為新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供更大動能。三是加大國際企業(yè)交流。國內(nèi)大企業(yè)，特別省民營企業(yè)，積極借鑒跨國集團的新業(yè)務(wù)個板塊的發(fā)展經(jīng)驗，摸索適合自己的新產(chǎn)業(yè)開拓之路。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.02.007

參考文獻

[1] 蔡詩怡，李津瑜，吳麗霞，等.金屬有機框架材料在鋰硫電池的應(yīng)用前沿進展[J].化工進展，2021，40（6）：12.

[2] 王丹，王正幫，王敬鋒，等.MOF晶體薄膜材料的制備及應(yīng)用[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2019，41（3）：292-306.

[3] 許蘭蘭，王松，劉玉霞，等.微波法合成金屬-有機骨架材料研究應(yīng)用進展[J].化工新型材料，2019，47（4）：5.

[4] 鄭璐康，周智慧，吳云琴，等.以二維材料構(gòu)筑納米片膜研究進展[J].材料科學(xué)，2018，8（6）：6.