微反应器中的MOFs制备：迈向绿色、高效的合成范式

       金属有机框架材料（Metal-Organic Frameworks, MOFs）作为一类由金属离子/簇与有机配体通过配位键自组装形成的多孔晶体材料，凭借其超高比表面积、可调控的孔道结构及多样的功能化特性，在气体吸附分离、催化转化、药物递送、环境治理等诸多领域展现出不可替代的应用潜力。然而，传统MOFs合成工艺（如间歇式水热/溶剂热法）长期面临反应周期长、传质传热不均、产物晶型与粒径分布不均、有毒有机溶剂消耗量大等瓶颈，既制约了MOFs的工业化规模化应用，也与当代绿色化工“减量化、再利用、资源化"的核心需求相悖。在此背景下，微反应器技术凭借其独特的结构优势与过程调控能力，为MOFs绿色高效合成提供了全新解决方案，推动MOFs合成范式从传统间歇式向连续化、绿色化、精准化转型。

一、微反应器的结构特性与MOFs合成的适配性

      微反应器是一类内部通道尺寸处于微米级（通常为10~1000μm）的连续化反应装置，其核心特征在于“微尺度效应"，具体表现为极大的比表面积（通常为1000~10000 m²/m³，远高于传统反应釜的10~100 m²/m³）、高效的传质传热效率以及精准的过程调控能力。这种结构特性与MOFs合成的核心需求高度适配，从根本上解决了传统合成工艺的痛点。

      从传质角度来看，MOFs的合成本质上是金属离子/簇与有机配体的配位自组装过程，该过程对反应物混合均匀性要求——传统反应釜中反应物扩散速率慢，易出现局部浓度过高或过低的现象，导致产物晶型紊乱、粒径分布宽，甚至产生无定形杂质。而微反应器内部的微通道可实现反应物的快速混合（混合时间可缩短至毫秒级），使金属离子与配体在分子水平上均匀接触，确保配位自组装反应在整个体系中同步进行，为制备高结晶度、窄粒径分布的MOFs产物奠定基础。

      从传热角度而言，MOFs配位自组装反应多伴随热效应，部分反应为放热反应且放热剧烈，传统反应釜传热效率低，热量易在局部积聚，导致反应温度失控，进而影响产物结构与性能；而微反应器的高比表面积使其传热系数大幅提升，可快速将反应热量导出或导入，实现反应温度的精准控制（控温精度可达±0.1℃），有效避免了温度波动对MOFs结晶过程的干扰。此外，微反应器的连续化操作模式可实现反应物的连续进料、反应与产物连续出料，摆脱了传统间歇式合成的“批次效应"，确保不同批次MOFs产物的性能一致性，这对于MOFs的工业化应用至关重要。

二、微反应器中MOFs的绿色合成路径与技术突破

      依托微反应器的结构优势，研究者们开发了多种MOFs绿色合成路径，重点围绕“溶剂绿色化、反应高效化、过程连续化"三大目标，实现了MOFs合成过程的环境友好性与生产效率的双重提升，取得了一系列突破性进展。

（一）绿色溶剂体系的构建与应用

      传统MOFs合成多依赖N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亚砜（DMSO）等有毒、难降解的有机溶剂，这类溶剂不仅会对环境造成污染，还会增加产物分离提纯的难度与成本，不符合绿色化工理念。微反应器的高效传质特性的为绿色溶剂替代提供了可能，目前已开发的绿色溶剂体系主要包括水体系、离子液体体系、深共熔溶剂体系及无溶剂体系。

      水作为最廉价的溶剂，是MOFs绿色合成的选择。但多数有机配体在水中溶解度低，传统水相合成难以实现高效反应，而微反应器的快速混合能力可显著提升配体在水中的分散性，加快反应速率。例如，在Zr-MOFs（如UiO-66）的合成中，传统水热法需在120℃下反应24~48 h，且产物结晶度低；而采用微反应器水相连续合成，可在60~80℃下将反应时间缩短至几分钟，同时获得高结晶度的UiO-66产物，且无有毒溶剂消耗。

      离子液体与深共熔溶剂具有难挥发、溶解性好、可设计性强等特点，可作为MOFs合成的绿色介质，同时还能起到模板剂的作用，调控MOFs的孔道结构与功能特性。微反应器中，离子液体/深共熔溶剂与反应物可快速混合，且微通道的限域效应可抑制MOFs颗粒团聚，制备出具有特殊形貌与性能的MOFs材料。此外，这类溶剂可通过蒸馏、萃取等方式回收再利用，进一步降低合成成本与环境影响。

（二）反应过程的高效调控与强化

      微反应器的精准调控能力可实现MOFs合成过程的参数优化，包括反应温度、压力、反应物浓度、停留时间等，进而强化反应效率，提升产物质量。与传统反应釜相比，微反应器中MOFs合成的反应时间可从数小时缩短至几分钟甚至几秒，反应效率提升数十倍至上百倍，大幅降低了生产能耗与时间成本。

      停留时间是微反应器调控MOFs合成的关键参数之一，通过调节微通道的长度、内径及进料流速，可精准控制反应物在反应器内的停留时间，实现MOFs结晶过程的精准调控。例如，在Zn-MOFs（如ZIF-8）的合成中，较短的停留时间（几秒）可制备出粒径较小的纳米级ZIF-8，而较长的停留时间（几分钟）可获得粒径较大的微米级ZIF-8，且产物粒径分布均一，无需后续筛分处理。这种精准调控能力，使得微反应器可根据实际应用需求，定制不同尺寸与性能的MOFs材料。

      此外，微反应器还可实现多步反应的集成化操作，将MOFs的合成、修饰、分离提纯等步骤整合在一个微反应系统中，减少中间产物的转移与损耗，进一步提升合成效率与产物纯度。例如，在功能化MOFs的合成中，可将配体功能化反应与MOFs配位自组装反应在微反应器中连续进行，避免了传统分步反应中产物的流失与污染，实现了功能化MOFs的高效绿色合成。

（三）连续化合成工艺的规模化探索

      传统MOFs合成的间歇式模式难以实现规模化生产，而微反应器的连续化操作特性为MOFs的工业化规模化制备提供了可能。目前，研究者们通过开发并行微通道反应器、微反应器阵列等装置，实现了MOFs合成的放大生产，解决了微反应器单通道处理量小的问题。

      并行微通道反应器通过设置多个平行的微通道，可在不改变微尺度效应的前提下，大幅提升反应物处理量，实现MOFs的连续化规模化合成。例如，某课题组开发的并行微通道反应器，通过100个平行微通道的协同作用，实现了ZIF-8的连续化生产，产量可达千克级/天，且产物性能与实验室小试样品一致。此外，微反应器的模块化设计使得其可根据生产需求灵活调整反应规模，具有良好的 scalability，为MOFs的工业化应用奠定了技术基础。

三、微反应器制备MOFs的优势与现存挑战

（一）核心优势

      相较于传统合成工艺，微反应器制备MOFs的优势可概括为“绿色、高效、精准、可规模化"四大方面：一是绿色环保，可实现绿色溶剂的高效应用，减少有毒有机溶剂消耗，降低环境污染，契合绿色化工发展趋势；二是高效快速，传质传热效率大幅提升，反应时间显著缩短，生产效率与能耗优势突出；三是精准可控，可实现反应参数的精准调控，制备出高结晶度、窄粒径分布、性能均一的MOFs产物，满足不同领域的应用需求；四是可规模化，连续化操作与模块化设计使其具备良好的放大性能，打破了MOFs工业化应用的瓶颈。

（二）现存挑战

      尽管微反应器在MOFs绿色高效合成中展现出巨大潜力，但目前仍面临一些亟待解决的挑战：其一，微通道易堵塞，MOFs合成过程中会产生固体晶体产物，若产物粒径过大或团聚，易附着在微通道内壁，导致通道堵塞，影响反应的连续进行；其二，高粘度体系适应性差，对于离子液体、深共熔溶剂等粘度较高的体系，微反应器内的流动阻力较大，会影响反应物的混合与传质效率；其三，工业化成本较高，微反应器的制造工艺复杂，尤其是并行微通道反应器与特殊材质微反应器（如耐腐蚀、耐高温材质）的生产成本较高，限制了其大规模推广应用；其四，复杂MOFs合成难度大，对于一些结构复杂、需多步反应制备的MOFs，如何实现微反应器内多步反应的精准集成与调控，仍需进一步探索。

四、未来展望

      随着微反应器技术与MOFs合成化学的不断融合，未来微反应器中的MOFs制备将朝着“更绿色、更高效、更精准、更规模化"的方向发展，重点围绕以下几个方面实现突破：

      一是绿色溶剂体系的进一步优化与拓展，开发更多低成本、易回收、环境友好的绿色溶剂（如生物基溶剂），结合微反应器的高效传质特性，实现MOFs的“全绿色"合成；二是微反应器结构与材质的创新，开发具有抗堵塞、高粘度适配性的新型微反应器（如柔性微反应器、多孔膜微反应器），降低工业化生产成本；三是复杂MOFs合成技术的突破，借助微反应器的精准调控能力，实现复杂结构、多功能MOFs的连续化、集成化合成；四是工业化应用的推进，加强微反应器与MOFs工业化生产工艺的融合，开发标准化、规模化的微反应合成生产线，推动MOFs在各应用领域的大规模落地。

      此外，随着人工智能、大数据等技术的融入，未来可实现微反应器中MOFs合成过程的智能化调控，通过建立反应参数与产物性能之间的关联模型，精准预测与调控反应过程，进一步提升MOFs产物的质量与生产效率。同时，微反应器与其他技术（如膜分离技术、原位表征技术）的结合，将为MOFs合成与性能研究提供全新视角，推动MOFs合成范式的持续革新。

      综上所述，微反应器技术凭借其独特的结构优势与过程调控能力，有效解决了传统MOFs合成工艺的诸多瓶颈，为MOFs绿色高效合成提供了全新路径。尽管目前仍面临一些挑战，但随着技术的不断创新与突破，微反应器必将成为MOFs工业化合成的核心技术，推动MOFs材料从实验室走向实际应用，为绿色化工产业的发展注入新的活力。

产品展示

       SSC-MOF-FlowSyn是一套专为金属-有机框架（MOFs）材料的高通量研发与中试级制备而定制的精密连续流合成系统。该平台集成了高通量传质传热强化模块与数智化过程控制系统，利用过程强化优势，实现了对MOFs晶体成核与生长动力学的独立解耦与精准调控。通过对混合效率、温度场、压力场及停留时间分布的精确管理，MOF-FlowSyn有效克服了传统釜式反应中的“放大效应"瓶颈，确保合成产物具有高度的晶型纯度、窄粒径分布与优异的结构完整性。系统支持从毫克级筛选到千克级制备的线性放大，为MOFs材料的工艺开发提供了可重复、可预测的标准化解决方案。赋能材料规模化生产迈入“智能时代"：构建“连续合成-精细后处理-实时表征"的一站式全自动闭环系统。