论文标题：Recent Progress in MOFs and MOF-Derived Materials for Gas Sensing Applications

论文链接：https://www.mdpi.com/2227-9040/13/3/100

期刊名：Chemosensors

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/chemosensors

文章导读

过去几十年间，金属有机框架 (MOFs) 已广泛应用于传感、吸附和催化等领域。由于其优异的气体检测性能和较大的比表面积，MOFs成为检测有毒有害气体的理想选择。此外，将MOFs与其他材料如石墨烯、金属氧化物或导电聚合物结合，能够进一步提升检测性能。同时，MOFs衍生材料也展现出出色的气体检测能力。本篇文章由岭南大学Tae Hwan Oh教授团队撰写，并发表于Chemosensors期刊，系统总结了MOFs、基于MOFs的复合材料以及MOFs衍生材料在气体传感应用方面的最新进展，旨在为从事或计划开展MOF基气体传感器研究的读者提供有价值的参考。

研究过程和结果

开发高性能气体传感器对于监测环境中的挥发性有机物及有毒有害气体具有重要意义。近年来，金属氧化物、rGO、g-C₃N₄、聚合物、金属硫化物及 MXene 等多种材料已被应用于气体传感领域。其中，MOFs 及其衍生材料因具有优异的吸附性能和表面特性，被认为是极具潜力的气体传感材料。MOF 衍生材料通过对高度多孔的 MOF 结构进行热分解，可转化为具有丰富活性位点、连通孔结构以及大比表面积的金属氧化物，有助于增强气体吸附能力并促进电荷的快速传输，MOF衍生的金属氧化物还表现出更好的稳定性和结构稳健性，因此在气体传感器构建中得到广泛关注。

图1. 金属有机框架材料的性质、合成方法及应用的示意图。

1. MOFs的合成方法

MOFs的制备方法多种多样，每种方法都有其优点与局限性。常用的合成方法包括：微波法、声化学法、水热法、电化学法等。

微波法：微波法通过利用电磁波与固体中的移动电荷 (如电子或离子) 或溶液中的极性溶剂分子或离子之间的相互作用，在反应介质内实现直接加热。此方法加热均匀、反应速度快，可显著缩短合成时间，同时提高产物纯度和产率。例如，UiO-66和MOF-808等MOFs已通过微波法成功制备，并在CO₂/CH₄分离及能源应用中表现优异。

声化学法：声化学法通过超声波在液体中产生空化效应，形成局部高温高压微环境，加速反应速率，控制晶体尺寸，并促进快速结晶。该方法操作简便、环保，被认为是一种先进的MOFs合成策略。研究表明，声化学法制备的Zn和Cu MOFs不仅具有高比表面积，还表现出优异的催化性能和抗菌特性，适用于气体传感及环境净化应用。

水热法：水热法是MOFs最经典的合成方法之一，它通过在密封的不锈钢高压釜内使用聚四氟乙烯衬垫，利用水溶液在自吸压力和高温 (60 - 220°C) 条件下来合成晶体材料。该方法能够生成高质量晶体，结构完整，但晶体生长过程缓慢，通常需数天。

电化学法：电化学法在温和条件下进行 (室温、常压)，通过精确控制电流、电压及反应时间，实现MOFs晶体生长和形貌的定制化。该方法可直接在导电基底上沉积MOFs，便于传感器和电化学储能设备的集成。电化学法具有快速合成和环境友好等优势，但需要精细调控以避免晶体不均匀和相组成不一致。

图2. 合成金属有机框架方法示意图 (微波，声化学和水热法)。

2. MOFs基材料在气体传感中的应用

MOF和MOF复合材料在气体传感领域，MOFs及其复合材料显示了显著的应用潜力。单一MOFs因其高比表面积、可调孔结构和丰富的活性位点，可直接用于检测多种气体。例如，Cu-MOFs结合芘核心探针，可用于煤矿气中的CO检测，检测限达到50ppm，并在氨气检测中实现0.015ppm的最低检测限，同时表现出快速响应和良好的重复性。Eu基MOFs通过水热法制备后，可用于多种气体检测，展现出稳定的传感性能。镧-铈基MOFs能够同时检测TMA、DMA、NH₃和HCHO，通过调节La与Ce比例优化气体选择性和灵敏度，为食品新鲜度监测提供了有效手段。为了进一步提升传感性能，MOFs常与其他材料复合，如导电聚合物、碳纳米管、金属氧化物等。Pd-Co₃O₄@Co-MOF通过钯功能化和多孔Co₃O₄笼结构，提高了丙酮检测灵敏度并增强了材料在不同湿度条件下的耐受性，MOF-74与碳纳米管复合后在NO检测中实现了ppb级检测限和优异的响应性能。这些研究表明，MOFs及其复合材料在气体传感中能够通过材料设计和复合策略显著改善灵敏度、选择性和响应速度。

图3. 芘核心探针及其与[Cu₃(BTC)₂(H₂O)₃]n组成的复合物的分子结构。

MOF衍生材料MOF衍生材料通过MOFs的热分解或化学转化得到，通常为多孔金属氧化物或碳复合物，具有高比表面积和丰富的活性位点，因此在气体传感应用中表现出优异性能。例如，WO₃/ZnWO₄/CoWO₄复合物可用于丁醇检测，响应和恢复速度适中；Ni-MOF衍生的NiO@CuO纳米花在H₂检测中表现出快速响应和低检测限；SnO₂-Ce复合材料用于乙二醇检测表现出极短的响应和恢复时间；Mo-Co₃O₄衍生材料在CO检测中检测限可达0.195ppm。此外，NV@NiO-2用于TEA检测，CuO/ZnO用于H₂S检测，In₂O₃/Co₃O₄用于NH₃检测，都显示出显著的灵敏度和快速响应。其他衍生材料如Ni₃V₂O₈@NiO空心微球和CuO/ZnO空心纳米笼，在TEA和H₂S的检测中也表现出高性能。总体来看，MOF衍生材料由于其孔结构、活性位点丰富以及可通过复合材料改善导电性和稳定性，在CO、DMC、TMA、NH₃、NO、NO₂、TEA、H₂S、丁醇、H₂和甲苯等多种气体的检测中展现了卓越的灵敏度和选择性，为高性能气体传感器的开发提供了多样化材料选择。

图4. NiO@CuO纳米花的制备方案示意图。

持续发展的挑战与前景

尽管MOFs、MOF基复合材料及MOF衍生材料在多种气体检测中表现出良好的灵敏度和检测限，但仍存在一些关键挑战。MOFs本身导电性较差且传质受限，限制了其气敏性能的进一步提升，而复合材料中各组分之间的协同作用机制仍有待深入研究。MOF衍生材料虽具有优异的比表面积和稳定性，但普遍存在工作温度较高及可选前驱体和检测气体种类有限等问题。此外，这类材料在实际应用中仍需进一步提升稳定性、选择性及耐久性，同时降低制备成本。如何通过结构设计和复合策略实现高性能与低成本的平衡，仍是该领域亟需解决的重要问题。

文章总结

本综述详细介绍了金属有机框架 (MOFs) 及其衍生材料在气体传感领域的最新研究进展。MOFs 作为结晶多孔材料，具备优异的结构和吸附性能，经复合或热解衍生处理后，传感性能进一步提升，可高效检测多种有毒有害气体与挥发性有机化合物，在多领域展现出良好应用潜力。尽管如此，这类材料仍面临导电性欠佳、协同机制不明、制备成本高、环境适应性不足等挑战。未来的研究将聚焦于优化材料性能、明晰作用机制、开发低成本合成方法及提升环境适配性上，通过结构设计与技术创新，MOFs 及其衍生材料有望在气体传感领域发挥更重要作用。

引用格式：

Ahmad, K.; Oh, T.H. Recent Progress in MOFs and MOF-Derived Materials for Gas Sensing Applications. Chemosensors 2025, 13, 100.

Chemosensors期刊介绍

主编：Nicole Jaffrezic-Renault, CNRS/University of Franche-Comté, France; Jin-Ming Lin, Tsinghua University, China

期刊范围涵盖化学传感理论；机理和检测原理；开发、制造技术；化学分析方法在食品、环境监测、医药、制药、工业、农业等方面的应用。

2025 Impact Factor：4.4

2025 CiteScore：8.1

Time to First Decision：19.8 Days

Acceptance to Publication：3.7 Days