碳语新材：MOF在VOC处理中的应用

来源：慧正资讯 2025-02-28 09:34

慧正资讯：挥发性有机化合物（VOC）是一类在常温常压下具有高蒸气压和易挥发性的有机化合物，广泛来源于工业生产、汽车尾气、室内装修等。VOC会对大气环境造成严重污染，对人体健康产生危害，例如刺激呼吸道、引发过敏反应甚至致癌。因此，有效检测、吸附和降解VOC具有至关重要的意义。金属有机框架（MOF）作为一种新型的多孔材料，因其具有高比表面积、丰富的孔隙结构、可调控的化学组成和功能等独特优势，在VOC处理领域展现出了巨大的应用潜力。

1、VOC种类及危害

VOCs，即挥发性有机化合物（Volatile organic compounds），是指在常温状态下容易挥发的有机化合物，常见的有苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯、氯苯、甲醇、乙醇、丙酮、甲醛等。VOCs可以分为五大类：脂肪烃、芳香烃、卤代烃、含氧有机化合物、含S和N的化合物。

(a)脂肪烃：分子中只含有碳和氢两种元素，碳原子彼此相连成链或环，碳原子间通过共价键连接形成链或环状的碳架的一类化合物。脂肪烃主要来源于汽车尾气、沥青应用、生物质燃烧、炼油、农产品和化学过程。正己烷是工作场所常见的污染物，长期接触后会对人体造成伤害。

(b)芳香烃：一般是指分子中含有苯环的化合物。芳香化合物通常由煤、汽车尾气、炼油厂和建筑材料产生，包括苯、甲苯、乙苯、苯乙烯等，他们有高毒性、致癌性和危险性。

(c)卤代烃：烃分子中的氢原子被卤素原子取代后的化合物。卤化挥发性有机物主要来源于工业过程和水净化废物。高挥发性和强持久性的氯化挥发性化合物是环境介质中广泛存在的最常见类型。

(d)含氧有机化合物：包括醇、醛、酮、醚、酚、酯和酸性化合物，主要来源于建筑材料、工业溶剂、油气和煤化工行业。醛是最常见的挥发性有机化合物，如常见的室内污染物甲醛，主要来源于室内的家具，涂料，壁纸，胶粘剂等。酯类和酮类主要来自家具制造业、鞋业和印刷业。

(e)含S和N的化合物：主要可追溯到化学油燃烧和皮革工业。苯胺和甲硫醇分别是两种最常见的含氮/硫挥发性有机化合物。

许多 VOCs 具有毒性、刺激性和致癌性，即使是低浓度下，长期暴露在VOCs 环境中，如苯、甲醛等，会刺激人体的呼吸道、眼睛和皮肤，引起咳嗽、流泪、皮肤过敏等症状。高浓度的 VOCs 吸入可能导致头晕、头痛、恶心、呕吐等中毒症状，严重时甚至会损害神经系统、肝脏、肾脏等重要器官，增加患癌症的风险，对人体健康造成长期潜在威胁。

2、MOF用于 VOC的检测

VOCs对环境和人体都有巨大的不可逆伤害，因此，VOC的检测是必不可少的，MOF检测VOCs的手段主要有电化学检测、荧光检测、比色传感器检测和表面拉曼增强光谱检测[1]。在电化学检测中，MOF作为传感材料，由于其超大的表面积和高度可调的孔径结构而表现出良好的检测性能。在荧光检测中，MOF凭借其独特的光学特性实现了对VOC的高灵敏度的特异检测。而比色传感器则是通过变色实现对VOCs的检测，具有成本低、操作方便等优点。相比之下，SERS传感器利用MOF的高表面积和特定的拉曼增强效应来实现VOC的超高灵敏度检测，特别适用于痕量分析。

图1 MOF检测VOCs的手段[1]

最常见的设备是电化学传感器。其原理为：气体分析物吸附在传感材料表面，电极识别分析物与传感材料的相互作用，并将这种相互作用转化为可测量的电信号。通过半导体传感材料，以电阻、电压、电流等形式显示电信号，并根据电化学性质（电阻、电压、电流等）的变化与分析物浓度之间的关系检测分析物浓度。B. Niu等人[2]通过共静电纺丝将MOF与聚丙烯腈（PAN）纳米纤维结合形成MOF纳米纤维膜，并将其与碳纳米管（CNT）形成电容式传感器用于室温下持续监测甲醇气体。MOF具有高比表面积和丰富的孔结构。甲醇可以顺利进入MOF的孔隙，MOF气体敏感层的介电常数在甲醇吸附前后发生变化，从而改变吸附前后的传感器电容，实现对甲醇气体浓度的检测。

3、MOF用于VOC的光催化降解

3.1 光催化降解

在光照条件下，MOF中的金属离子或有机配体能够吸收光子，产生电子-空穴对。这些电子-空穴对迁移到MOF的表面，与吸附在表面的水和氧气分子发生反应，生成具有强氧化性的羟基自由基（·OH）和超氧阴离子自由基（·O？？）等活性自由基。这些活性自由基能够氧化分解VOC分子，将其最终转化为无害的二氧化碳和水等小分子物质[3]。

Zhang等人[4]采用MOF在可见光照射下光催化降解甲苯。与纳米 BiVO4/TiO相比，这种光催化剂在可见光下表现出增强的甲苯降解性能，实现了79.4%的甲苯转化率。Wang 等人[5]用热处理后MOF中形成的异氰酸酯基团（-N=C=O）在可见光下催化降解甲醛，在1小时内分别对20 ppm和10 ppm的甲醛进行催化降解，去除率达到72%和近100%。

图2 MOF光催化降解甲苯的过程示意图[4]

3.2 应用拓展

Junsuk等人[6]将MOF应用于过滤器上，制备了室内VOC过滤系统，可应用于家庭、汽车、办公室和工业等各种应用。制备的过滤器在紫外光下对吸附的苯系VOC表现出优异催化去除效果。10次实验中过滤器平均吸附和去除性能分别为94.25%和75.95%。在耐久性试验中，PMF在进行50次循环试验后的去除效率为72.65%。

图3 MOF过滤器吸附和光催化降解苯系物示意图^[6]

4、MOF用于VOC的吸附

吸附法VOC净化因其操作简单、效率高、能耗低，已成为处理挥发性有机物最具成本效益的方法之一。与光催化降解相比，对于一些有附加价值的VOC，如苯，吸附还能实现变废为宝。

4.1 吸附原理

MOF对VOCs的吸附主要分为物理吸附和化学吸附。

（1）物理吸附——范德华力作用

MOF具有多孔结构，其孔道为VOC分子提供了物理吸附的场所。VOC分子与MOF孔道表面之间存在范德华力，这种力是分子间普遍存在的一种弱相互作用力。当VOC分子靠近MOF孔道壁时，范德华力会将它们吸引并吸附在孔道内。

（2）化学吸附

针对不同VOC，MOF的化学吸附机理不尽相同。MOF基本靠物理作用吸附脂肪烃；而芳香烃主要和含苯环的MOF形成π-π相互作用；含氧挥发性有机化合物依赖于通过与MOF内合适的吸附位点形成极性相互作用来捕获；含硫VOC倾向于与含有不饱和金属位点的MOF形成强作用。

图4 MOF对不同VOC种类的化学吸附[7]

以含有一款含有芳香环配体的MOF为例，其对苯的吸附量可高达1172 mg/g[8]，远高于传统的活性炭等吸附材料。这是因为该款MOF具有较大的比表面积（4443 m²/g）和合适的孔径结构，能够为苯分子提供充足的吸附空间和较强的吸附作用力，同时在吸附过程中，苯分子的π电子云与MOF中的金属中心和芳香环配体发生相互作用，从而稳定地吸附在MOF表面。

4.2 应用拓展

虽然MOF对VOC有理想的吸附性能，MOF粉末的形态阻碍了它们的实际应用。将MOF与纺织品相结合是扩展MOF应用的有效解决方案。Fang等人[9]在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纤维基材上通过原位生长过程合成了MOFs/PET复合纺织品（MOFs@STP-PET）。纤维表面均匀锚定的MOF确保了292.3 m2/g的高比表面积，对乙苯表现出良好的吸附性能，穿透最大吸附容量达到4.3 mg/g，同时拉伸强度约为20 MPa。这种简单、有效且可扩展的方法为新型VOC吸附材料的开发铺平了道路，并有望用于室内空气净化。

图5 MOF-PET复合材a制备示意图和b吸附机理[9]

5、挑战与展望

MOF可用于VOC的检测、催化降解以及吸附，并且研究表明，经过多次吸附-再生循环后，只要选择合适的再生条件，许多MOF材料依然能够保持良好的结构完整性和吸附性能，为长期可持续的VOC吸附应用奠定了基础。

但是其广泛的工业化应用仍面临成本以及长期稳定性的挑战，工业废气中的粉尘、杂质以及多变的温湿度条件，可能导致MOF孔隙堵塞、结构侵蚀，从而降低吸附效率。再者，从实验室到工业化生产，MOF的成型、集成工艺还不够成熟，如何将MOF材料高效地制备成实用的吸附装置（如吸附塔、滤网等），并与现有工业流程无缝衔接，仍是亟待解决的工程问题。

6、总结

金属有机框架（MOF）在VOC的检测、吸附和光催化降解方面展现出了独特的优势和巨大的应用潜力。通过合理设计和调控MOF的结构与性能，在VOC处理领域已经取得了显著的研究进展，为解决VOC污染问题提供了新的思路和方法。然而，MOF在实际应用中仍然面临着稳定性、选择性、规模化制备和成本等诸多挑战。随着近年来MOF材料科学和大规模制备技术的不断发展，新兴的MOF公司不断涌现，有望在近期实现MOF在VOC处理领域的工业化应用。广东碳语新材料有限公司是国内第一家实现MOFs吨级量产的科技创新型企业，上百种功能型MOFs在此诞生。我们的团队对MOFs的合成及应用具有深厚的技术积累，想了解更多关于MOFs的应用与功能定制，欢迎联系碳语专家团队，为您排忧解难。

参考文献

[1] Talanta 2024, 127498

[2] Microchem. J. 2023 ,191, 108815

[3] Korean J. Chem. Eng. 41, 2461–2476

[4] RSC Adv. 2016, 6, 4289-4295

[5] Chem. Sci. 2020, 11, 6670

[6] Chem. Eng. J. 2022, 430, 132891

[7] Coord. Chem. Rev. 2023, 485, 215119

[8] J. Am. Chem. Soc. 2024, 5, 1-9

[9] Sep. Purif. Technol. 2025, 357, 130007