MOF新材料产业现状及发展策略

郑明月 卢国胜

1 MOF新材料的性能及用途

1.1 MOF新材料的定义

金属—有机骨架（Metal–Organic Frameworks，MOF）材料是由无机结构单元（金属离子或金属簇）与有机配体（羧酸、磷酸酯或含氮配体等）通过配位键连接而成的，具有周期性网状结构的新兴多孔功能材料。MOF中的有机配体称为连接体（linkers），金属离子或簇称为节点（nodes），由二者自组装为有周期性结构的配位化合物。

1.2 MOF新材料的起源与发展

美国加州大学伯克利分校的Omar M.Yaghi教授研究小组首先发现并命名MOF新材料，并于1995年将此项成果在Nature杂志上进行报道。国外研究团队包括美国Williams研究组、Jeffery Long研究组、林文斌教授研究组、周宏才教授研究组；法国的Gérard Férey研究组；日本的M.Fujita（藤田诚）研究组和Susumu Kitagawa（北川进）研究组等一批科学家陆续报道了MOF新材料的合成以及在催化、生物及气体吸附等方面的应用。技术进展状况。目前，MOF新材料的合成方法主要有溶剂（水）热合成法、微波合成法、声化学合成法、机械化学合成法、喷雾干燥合成法和微通道连续合成法等，实验室已经合成了80 000多种MOF材料，但是尚未实现统一的分类。

1.3 MOF新材料的性能及应用领域

从材料性能来看，MOF新材料具有可设计的丰富的结构类型，低密度、永久孔洞、超高的比表面积（1g MOF材料的表面积有一个足球场大小）和可功能化的孔空间等特性。

从应用领域来看，MOF新材料可应用于能源存储（氢气储存、甲烷存储、储水）、吸附与分离（二氧化碳捕获、工业气体分离、空气净化、废水处理）、催化（热催化、光催化、电催化）、传感、生物医药（药物运输、血液透析、光动力疗法）等领域。

从市场规模来看，有数据显示，2020年MOF全球市场规模为2亿美元，2026年将增加至8.38亿美元，扩大4.19倍。

2 国内外MOF新材料的研究和产业化对比

2.1 国外MOF新材料应用领域广，产业化程度较高

英国MOF Technologies 公司由University of St Andrews创立，与全球创伤治疗中心和医疗设备制造商合作，进行泌尿导管抗菌披覆膜和水果保鲜膜等产品开发。美国NuMat Technologies公司等与美国国防高级研究计划局合作，利用MOF捕捉空气中的水分，制作饮用水；与半导体行业、医疗保健以及工业领域等多家企业合作，推出了储存电子工业中使用的有害气体的产品和气瓶ION—X；与Decco合作推出了用来吸附乙烯的产品“TruPick”，延长果实保存时间。2018年NuMat Technologies公司获得由OS Fund领投的1 240万美元B轮融资。Mosaic Materials公司业务是二氧化碳分离工艺的商业化生产，与加拿大Svante公司合作对燃煤电厂烟气进行试点示范。EnergyX公司与奥斯陆大学成立的ProfMOF公司，涉及可再生能源以及大规模锂离子生产和电池储能项目的开发。日本丰田实验室开展MOF在包括锂离子电池在内的电池领域的应用研究。Ohara Paragium Chemical公司与东京大学合作，将MOF与活性炭结合造粒，制作出日本首個商业化颗粒产品（Tablet），用于瞬间除臭剂制品和空气净化器。日本氟工业株式会社（Nippon Fusso）为保护化工厂使用的金属储存罐表面的涂布，实现了MOF的实用化。源自京都大学的初创企业Atomis提供了采用京都大学特聘教授北川进的技术的材料。日本科学技术振兴机构的低碳社会战略中心，推动“直接空气碳捕获（DAC）”，成本有可能大幅下降。德国巴斯夫公司（BASF）通过与Yaghi和福特汽车合作，推出甲烷的MOF储存体系，低气压下能储存更多甲烷，扩大容器燃料填充量。巴斯夫一直开发用于气体分离和储藏、水吸收等的多种MOF新材料，并不断向能源、汽车和电子等广泛行业推广。

2.2 我国MOF新材料产业处于起步阶段，产业成熟度亟需提高

一是空气净化产业起步较早。2017年北京理工大学教授王博团队的MOF新材料空气净化项目落户嘉善新科技产业园，并计划打造一个智能材料的产业集群，但项目成熟度不及预期。二是部分企业源自纳米材料企业。功能纳米材料研制与销售企业具备技术、人才、研发、市场及生产优势，拓展MOF材料业务难度小，成功率较高。例如江苏先丰纳米材料科技有限公司、杭州禾石新材料科技有限公司等企业，先后开展MOF新材料生产业务。三是初创企业研发能力强，规模小。初创企业的核心研发团队主要来自中科院、上海交通大学、美国西北大学等国内外名校，普遍年轻，创新能力强，具备持续研发动力，但企业规模普遍不大，研发条件相对单薄。例如上海常葳实业发展有限公司、上海楷树化学科技有限公司等。

2.3 MOF新材料产业的发展痛点

一是产业化种类少。目前应用于商业的MOF材料种类较少，产业界仍然缺少批量的技术验证，多数产品停留在基础研究和中试阶段。二是成本高。MOF新材料前体成本较高，制备方法耗能较高，节能、高效制备工艺不成熟，工业化生产不具成本优势。三是使用效果不佳。多数MOF新材料机械强度较低、热稳定性差；单一性能良好，综合性能差，使用效果达不到预期。

2.4 我国MOF新材料产业与国外的主要差距

一是技术成熟度低。我国MOF新材料研究起步晚，核心成员多为国外专家的学生或合作伙伴，技术成熟度低，核心专利较少。二是产业化领域窄。美国、日本等国的MOF新材料应用在催化、储能、生物医药、气体吸附分离、传感器等多领域，我国研究领域广泛，但产业化只在气体吸附分离等少数领域。三是投资规模小。我国天使投资成熟度较低，更不擅长新材料投资，投资人专业度不够，MOF新材料投资项目少，单体项目投资额度低。四是大集团引领不足。我国MOF新材料的研发和产业化过程中新材料、化工和有色金属大集团几乎没有参与，难以发挥德国巴斯夫和美国霍尼韦尔此类跨国集团对新产业发展的强大推动作用。

3 对策建议

3.1 适当增大研发投入，提高产业成熟度

一是设立研发课题。在不同层面设立MOF新材料研发及全面应用研发课题，夯实新材料研发基础，为全面产业化做好准备。二是加大国际研发合作。扩大与美国、日本、欧洲的高校及科研院所的合作广度和深度，培养更多研发人才，交流更多创新理念和思路，开拓MOF新材料更深、更广的研究领域。三是实施共享研发。在全国范围实施“实验器材共享计划”，先试点，通过金融租赁、集中经营等多重手段，将域内尽量多的大型实验装备（特别是基础实验和检测设备）盘活、共享，彻底解决企业（特别是中小企业）设备买不起、研发成本高问题。最后总结经验，在全国推广。

3.2 做好产—研对接，扩大产业化领域

一是研发人员创办企业。鼓励一线研发人员直接或以技术入股形式创办企业，明确研发人员与所在单位在项目盈利后的分成机制，位科学家铺平由研发到产业的道路。二是鼓励企业与研发人员联合。MOF新材料应用企业主动与相关领域研究人员结合（包括引进国外团队），开拓产业领域，开阔应用场景，为相关企业创造更大效益。三是引进国外相关领域企业。在产业空白领域引进国外相关企业，以合资或股权合作的形势填补国内空白，补齐短板，再逐步实现规模产业化。

3.3 创新基金投资模式，增加产业投资规模

一是地方产业基金参与投资。推广合肥京东方股权投资经验，引导地方政府（特别是地级市一级政府）成立产业引导基金（母基金）和细分产业基金（子基金），并合理放宽考核制度（实施黑名单制），为地方产业引进增量，为MOF新材料产业落地提供更好环境（但在发展痛点解决之前，要防止MOF新材料产业过热）。二是私募基金加快成长。创新私募基金管理办法，学习欧美国家私募基金管理模式，在合理控制風险的前提下，赋予基金更灵活的投资额度和投资自由度。三是做好基金经理专业知识培训。对基金经理进行相关投资领域的专业知识培训和产业动向培训，让基金经理具备一定的行业理解能力和辨析能力，为产业投资顺利落地创造条件。

3.4 变革合作模式，大企业主导新产业发展

一是大集团成立新产业投资部。鼓励事业大集团成立与主业相关的新产业投资部，专注于相关领域的股权投资，为企业发展寻找增新长极。二是大集团积极并购新产业的中小企业。新兴产业的初创企业规模小、抗风险能力差，依托大企业可以提高创业的成功率，为新产业的发展提供更大动能。三是加大国际企业交流。国内大企业，特别省民营企业，积极借鉴跨国集团的新业务个板块的发展经验，摸索适合自己的新产业开拓之路。

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

参考文献

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