论文背景

MOF材料具有可定制的晶体结构、高孔隙率、比表面积、优异的稳定性和规整可调控的孔道结构等优点，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“多才多艺”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。由于这类材料的特殊结构、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。

针对上述问题，我们系统综述了刺激响应MOF材料及其应用的前沿进展。首先，重点介绍了刺激响应MOF材料的合理设计策略和刺激响应型材料的类型。然后，系统讨论了近年来刺激响应MOF材料在离子吸附、二氧化碳捕获、药物递送、离子运输、载物和释放等高级应用方面的研究进展。最后，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

结论与建议

结论：近年来，一系列对环境刺激信号（如，光响应、温度响应、pH响应、压力响应、电响应和湿度响应）响应的MOF材料已被陆续开发，并在离子吸收剂、二氧化碳捕获、药物递送和离子选择分离膜等多个领域显示出广阔的应用前景。这类MOF材料的性质主要包括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，而其性质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。

挑战：刺激响应MOF材料在实际应用中仍存在一些需要解决的关键挑战。首先，作为配体开发的响应性分子通常具有孔隙率高和比表面积大的优点，而大多数分子是作为侧基修饰或聚合物引入MOF内部的，导致其比表面积大大降低，影响其吸附能力及与之相关的应用性能。其次，设计和开发具有接受外界刺激响应信号的响应性配体分子依旧具有挑战性，限制了MOF材料的应用场景。再者，更多的研究应该集中在开发更稳定的刺激响应MOF材料上，这有利于确保MOF材料在响应过程中不会发生骨架坍塌等问题。此外，与单一刺激相比，刺激响应MOF材料接受多重刺激的相关报道较少，因此，进一步研究其对多重刺激信号的响应机理，有助于推动这类材料在未来的实际应用。

建议：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将特定的活性单元/离子、响应分子或官能团（如-COOH、-NH2）加载到刺激响应MOF材料中以接受刺激响应；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。

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，并在Nat Sustain.、Adv. Mater.、Chem. Mater.等期刊发表了多篇论文。

研究团队

论文的通讯作者为我院区然雯副教授和南昌航空大学曾桂生教授，第一作者为我院2022级博士生关乾，相关总结工作得到了2021级博士生吴姁，2020级研究生张馨予，2021级研究生谢昊，方怡蕾和2022级研究生唐梦雨的帮助。该研究得到国家自然科学基金委的资助。