1 引言

1.1 研究背景與意義

     MOFs作為一類由金屬離子/簇與有機配體通過配位鍵組裝形成的多孔晶體材料，憑借其結(jié)構(gòu)可設計性、超大比表面積及豐富活性位點，在氣體儲存（如H?、CO?捕獲）、催化轉(zhuǎn)化、生物醫(yī)藥載體、電化學儲能等新興領(lǐng)域展現(xiàn)出不可替代的應用價值。實現(xiàn)MOFs材料的精準可控合成（包括晶體形貌、粒徑分布、孔結(jié)構(gòu)及功能基團調(diào)控）是其性能優(yōu)化與實際應用落地的核心前提。

     傳統(tǒng)MOFs合成方法以間歇式反應釜、水熱/溶劑熱合成為主，存在顯著局限性：一是傳質(zhì)傳熱效率低，反應體系易出現(xiàn)局部濃度與溫度不均，導致產(chǎn)物晶型雜亂、粒徑分布寬，批間差異性大；二是反應周期長，如傳統(tǒng)溶劑熱法合成HKUST-1需85℃反應20 h，生產(chǎn)效率低下；三是難以實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，規(guī)模化制備過程中放大效應顯著，制約了MOFs的工業(yè)化應用。

     微通道連續(xù)流反應器作為過程強化技術(shù)的核心設備，其通道尺寸多為數(shù)十至數(shù)百微米，具有比表面積大（較傳統(tǒng)反應釜高100-1000倍）、傳質(zhì)擴散距離短、溫度控制精度高（±0.1℃）、操作連續(xù)穩(wěn)定等優(yōu)勢。將其應用于MOFs合成，可有效解決傳統(tǒng)方法的瓶頸問題，實現(xiàn)從實驗室小試到工業(yè)化生產(chǎn)的高效轉(zhuǎn)化，對推動MOFs材料的產(chǎn)業(yè)化進程具有重要理論與實踐意義。

1.2 國內(nèi)外研究進展綜述

      近年來，微通道連續(xù)流技術(shù)在MOFs合成中的應用受到廣泛關(guān)注。已有研究表明，該技術(shù)可實現(xiàn)HKUST-1、MOF-5、UiO-66、ZIF系列、MIL系列等多種MOFs材料的高效合成，通過調(diào)控反應參數(shù)可實現(xiàn)晶體粒徑在90-900 nm范圍內(nèi)的精準調(diào)控，且反應時間大幅縮短至秒級或分鐘級（如Fe-MIL-88B-NH?合成停留時間僅20 s，UiO-66合成僅需30 min）。在反應器類型方面，液滴微流控芯片、層流微通道反應器、模塊化微通道反應器等多種結(jié)構(gòu)被開發(fā)應用，其中液滴微流控因混合效率高、可減少產(chǎn)物附著堵塞等優(yōu)勢成為主流形式。

      在機理研究方面，現(xiàn)有研究多聚焦于工藝參數(shù)（溫度、流速、停留時間、反應物配比）對MOFs產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，但對微尺度下傳質(zhì)傳熱強化與MOFs晶核形成、晶體生長的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機制探討尚不深入，尤其對多組分體系中配位反應動力學的調(diào)控機理缺乏系統(tǒng)研究。此外，微通道反應器的放大策略與工業(yè)化應用技術(shù)仍處于探索階段，制約了其實際推廣。

1.3 本文研究思路與主要內(nèi)容

      本文以微通道連續(xù)流反應器為核心研究對象，系統(tǒng)梳理其在MOFs可控合成中的應用現(xiàn)狀，重點分析反應器結(jié)構(gòu)設計與工藝參數(shù)調(diào)控對MOFs產(chǎn)物性能的影響；通過結(jié)合實驗表征與理論分析，深入揭示微尺度傳質(zhì)傳熱強化驅(qū)動MOFs可控合成的機理；最后針對當前技術(shù)挑戰(zhàn)，提出未來發(fā)展方向，為MOFs材料的高效、精準、規(guī)模化合成提供理論支撐與技術(shù)參考。

2 微通道連續(xù)流反應器的結(jié)構(gòu)特性與設計原則

2.1 微通道連續(xù)流反應器的核心特性

      微通道連續(xù)流反應器的核心優(yōu)勢源于其微尺度結(jié)構(gòu)帶來的傳質(zhì)傳熱強化效應：一是高比表面積（1000-10000 m2/m3），顯著縮短反應物分子擴散距離，使相際傳質(zhì)系數(shù)較傳統(tǒng)反應釜提高1-2個數(shù)量級，實現(xiàn)反應物快速均勻混合，避免局部濃度過高導致的副反應；二是高效傳熱能力，微通道體積小、熱阻低，可實現(xiàn)反應溫度的精準控制，溫度波動范圍可控制在±0.1℃以內(nèi)，精準匹配MOFs晶核形成與生長的熱力學要求；三是連續(xù)化操作特性，通過泵體精準輸送反應物，可實現(xiàn)反應過程的連續(xù)進料、反應與出料，顯著縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)物批間一致性；四是放大效應小，可通過并行擴展微通道數(shù)量實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，降低工業(yè)化放大風險。

2.2 MOFs合成用微通道反應器的結(jié)構(gòu)設計類型

  根據(jù)反應體系流動狀態(tài)與混合方式，適用于MOFs合成的微通道反應器主要分為以下兩類：

     （1）層流型微通道反應器：依靠分子擴散實現(xiàn)反應物混合，結(jié)構(gòu)簡單，通道多為矩形、圓形或梯形，適用于反應速率較慢的MOFs合成體系。其優(yōu)勢在于操作穩(wěn)定、易于加工，可通過調(diào)節(jié)通道長度與流速控制反應停留時間，但混合效率相對較低，適用于對混合速率要求不高的MOFs合成（如UiO-66系列）。

     （2）液滴型微流控反應器：通過連續(xù)相剪切作用將分散相反應物切割為單分散微液滴，微液滴在通道內(nèi)運動過程中形成內(nèi)部微循環(huán)，尤其在S形彎曲通道中，通道曲率可強化液滴內(nèi)部對流混合，混合效率較層流型顯著提升。液滴相可有效隔離反應物與通道壁面，減少MOFs晶體在通道內(nèi)的附著與堵塞，提高反應系統(tǒng)穩(wěn)定性。目前已廣泛應用于HKUST-1、ZIF-7、ZIF-8等多種MOFs材料的合成，是當前MOFs可控合成的主流反應器類型。

2.3 MOFs合成導向的反應器設計原則

     針對MOFs合成的反應特性，微通道反應器設計需遵循以下原則：一是通道尺寸匹配原則，根據(jù)目標MOFs晶體粒徑設計通道尺寸，避免通道過窄導致晶體堵塞，通常選擇通道內(nèi)徑為數(shù)百微米（50-500 μm）以平衡傳質(zhì)效率與流通穩(wěn)定性；二是混合效率適配原則，對于快速配位反應（如ZIF系列合成），應選擇液滴型或交錯通道結(jié)構(gòu)強化混合；對于慢反應體系，可采用層流型結(jié)構(gòu)降低設備成本；三是溫度調(diào)控集成原則，需設計高效溫控模塊（如夾套式溫控、紅外加熱），尤其對于溶劑熱型MOFs合成，需集成高壓密封結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高溫高壓條件下的連續(xù)反應；四是在線監(jiān)測兼容原則，預留檢測窗口或接口，便于集成UV-Vis、Raman等在線表征技術(shù)，實時監(jiān)測反應進程與晶體生長狀態(tài)。

3 微通道連續(xù)流反應器在MOFs可控合成中的應用實踐

3.1 典型MOFs材料的連續(xù)流合成案例

     3.1.1 UiO-66系列MOFs的連續(xù)合成與改性：UiO-66作為Zr基MOFs的典型代表，具有優(yōu)異的水熱穩(wěn)定性與酸穩(wěn)定性，傳統(tǒng)溶劑熱法合成需高溫長時間反應。采用微通道連續(xù)流反應器，在60-120℃、總進料流量1-5 mL/min條件下，可實現(xiàn)UiO-66及其氨基化、溴化改性產(chǎn)物（UiO-66-NH?、UiO-66-Br）的連續(xù)合成，反應停留時間僅30-60 min，產(chǎn)物為六面體納米晶體，粒徑分布窄（100 nm以下），較傳統(tǒng)方法時空產(chǎn)率提升10倍以上。通過調(diào)控Zr??與配體的摩爾比、反應溫度，可精準調(diào)控UiO-66的孔徑與比表面積，優(yōu)化其催化性能。

     3.1.2 ZIF系列MOFs的快速可控合成：ZIF系列MOFs（如ZIF-8、ZIF-67）具有類沸石結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)合成易出現(xiàn)粒徑不均問題。采用雙T型液滴微流控芯片，以硅油為連續(xù)相，金屬鹽與咪唑類配體溶液為分散相，在室溫下通過微液滴融合反應，僅需1 min停留時間即可合成高結(jié)晶度ZIF材料，產(chǎn)物粒徑可通過調(diào)節(jié)液滴體積與流速在50-500 nm范圍內(nèi)調(diào)控，時空產(chǎn)率高可達461 kg/(m3·d)，遠優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

     3.1.3 鉍基MOFs（CAU-17）的電催化導向合成：針對電催化CO?還原應用的CAU-17材料，采用微流控連續(xù)流技術(shù)，在恒定溫度與Bi3?濃度條件下，通過調(diào)節(jié)流速精準控制材料粒徑與形貌，將合成時間縮短至傳統(tǒng)水熱法的1/36。所得小粒徑CAU-17-F60樣品在-1.2 V???電位下甲酸鹽法拉第效率達92.79%，且連續(xù)電解12 h穩(wěn)定性優(yōu)異，展現(xiàn)出微通道合成技術(shù)在功能導向MOFs制備中的優(yōu)勢。

3.2 工藝參數(shù)對MOFs可控合成的影響規(guī)律

     3.2.1 溫度調(diào)控：溫度是影響MOFs晶核形成與生長速率的關(guān)鍵參數(shù)。升高反應溫度可加快配體與金屬離子的配位反應速率，促進晶核生長，使產(chǎn)物粒徑增大；反之，低溫條件下晶核形成速率快、生長慢，易獲得小粒徑MOFs晶體。例如，在微通道合成UiO-66過程中，溫度從80℃升高至120℃，產(chǎn)物粒徑從80 nm增至200 nm，但過高溫度易導致配體分解，降低結(jié)晶度。微通道反應器的精準溫控能力可實現(xiàn)溫度梯度調(diào)控，為MOFs晶體生長提供穩(wěn)定熱力學環(huán)境，減少無定形雜質(zhì)生成。

     3.2.2 停留時間：停留時間決定MOFs晶核的生長周期，需匹配晶核形成與生長的動力學需求。停留時間過短，晶核未充分生長，產(chǎn)物結(jié)晶度低；停留時間過長，易導致晶體團聚與過度生長，粒徑分布變寬。例如，合成Fe-MIL-88B-NH?時，停留時間從20 s延長至120 s，晶體粒徑從190 nm增至900 nm，當停留時間超過臨界值后，粒徑增長趨于平緩。通過調(diào)節(jié)微通道長度與進料流速，可實現(xiàn)停留時間的精準調(diào)控（秒級至分鐘級），滿足不同MOFs材料的生長需求。

     3.2.3 反應物配比與濃度：金屬離子與有機配體的摩爾比直接決定MOFs的配位結(jié)構(gòu)與晶體完整性，偏離配比易產(chǎn)生雜相或無定形產(chǎn)物。例如，合成HKUST-1時，Cu2?與均苯三甲酸配體摩爾比需控制在3:2左右，微通道反應器的精準進料控制可實現(xiàn)反應物配比的精確調(diào)節(jié)，避免局部配比失衡。反應物濃度過高易導致晶核過度生成與團聚，濃度過低則降低反應效率，通過微通道連續(xù)進料可維持反應體系濃度穩(wěn)定，優(yōu)化產(chǎn)物形貌。

     3.2.4 流體流速與流型：流速通過影響混合效率與停留時間間接調(diào)控MOFs合成。在液滴微流控系統(tǒng)中，提高連續(xù)相流速可減小液滴體積，增強內(nèi)部混合強度，加快反應速率；調(diào)節(jié)分散相流速可改變液滴生成頻率，控制反應負荷。流型方面，層流有利于晶體定向生長，液滴流則可提升混合均勻性，需根據(jù)MOFs反應特性選擇適配流型。

3.3 微通道合成MOFs的性能優(yōu)勢

     與傳統(tǒng)間歇合成相比，微通道連續(xù)流合成的MOFs材料具有顯著性能優(yōu)勢：一是晶體均一性好，粒徑分布系數(shù)（CV）較傳統(tǒng)方法降低30%-50%，如微通道合成的UiO-66粒徑CV值小于15%，而傳統(tǒng)方法為40%以上；二是結(jié)晶度高，無定形雜質(zhì)含量低，比表面積與孔容更大，如微通道合成的HKUST-1比表面積可達1800 m2/g，較傳統(tǒng)方法提升20%；三是功能性能更優(yōu)，如微通道合成的Sn-MOF-H?O材料作為鋰離子電池負極，比容量達929.8 mAh·g?1，循環(huán)穩(wěn)定性與倍率性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)甲醇溶劑合成產(chǎn)物；四是綠色高效，可降低反應溫度與溶劑用量，如Cu-BTC合成溫度從傳統(tǒng)120℃降至60℃，反應時間縮短80%以上，符合綠色化工發(fā)展需求。

4 微通道連續(xù)流合成MOFs的機理分析

4.1 微尺度傳質(zhì)強化機理與MOFs晶核形成

    MOFs合成的核心過程包括金屬離子與有機配體的配位反應、晶核形成與晶體生長三個階段，其中晶核形成的均勻性是決定產(chǎn)物粒徑分布的關(guān)鍵。傳統(tǒng)間歇反應中，反應物混合依賴宏觀攪拌，存在擴散邊界層厚、混合時間長等問題，導致局部區(qū)域金屬離子與配體濃度過高，晶核大量快速生成，粒徑分布寬；而在微通道反應器中，微尺度通道（50-500 μm）使反應物擴散距離縮短至微米級，擴散時間從傳統(tǒng)的分鐘級降至毫秒級，傳質(zhì)速率顯著提升。

     根據(jù)傳質(zhì)理論，微通道內(nèi)的傳質(zhì)過程以分子擴散與強制對流為主，高比表面積使相際傳質(zhì)面積大幅增加，傳質(zhì)系數(shù)k_L可達10??-10?3 m/s，較傳統(tǒng)反應釜提高1-2個數(shù)量級。快速均勻的傳質(zhì)過程使反應體系中金屬離子與配體濃度在空間上高度均一，避免局部過飽和現(xiàn)象，從而實現(xiàn)晶核的同步、均勻形成，減少因晶核生成時間差導致的粒徑差異。此外，液滴微流控系統(tǒng)中，微液滴內(nèi)部的循環(huán)流動進一步強化傳質(zhì)，使液滴內(nèi)濃度分布更均勻，每個微液滴可視為一個獨立的“微型反應釜"，實現(xiàn)晶核形成的精準調(diào)控。

4.2 微尺度傳熱強化與MOFs晶體生長調(diào)控機理

      MOFs晶體生長過程對溫度變化極為敏感，溫度梯度會導致晶體生長速率不均，產(chǎn)生形貌缺陷。微通道反應器的高導熱效率源于其小特征尺寸與高比表面積，熱量可快速在反應體系與溫控介質(zhì)間傳遞，溫度控制精度達±0.1℃，有效消除反應體系內(nèi)的溫度梯度。根據(jù)傳熱方程，微通道內(nèi)的傳熱系數(shù)h可達1000-10000 W/(m2·K)，較傳統(tǒng)反應釜提升10-100倍，可快速響應反應放熱或吸熱過程，維持晶體生長所需的恒定溫度環(huán)境。

     從熱力學角度，恒定溫度可保證MOFs晶體生長的吉布斯自由能穩(wěn)定，促進晶體沿優(yōu)勢晶面生長，形成規(guī)則形貌（如UiO-66的六面體、ZIF-8的立方體）；從動力學角度，精準溫控可調(diào)控晶體生長速率，避免因局部溫度過高導致的配體分解或晶體過度生長。例如，在Sn-MOF合成中，水相體系下微通道的精準溫控使晶核生長速率平緩，形成片狀結(jié)構(gòu)，較甲醇相體系的球狀結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)異的電化學性能，這與水的介電常數(shù)較高、微通道傳熱均勻抑制晶核快速團聚有關(guān)。

4.3 多場耦合作用下的MOFs合成機理（可選，進階內(nèi)容）

     對于集成輔助能量場的微通道系統(tǒng)（如磁感應加熱、光輔助、電輔助），存在多場耦合強化MOFs合成的特殊機理。例如，磁感應加熱驅(qū)動的微通道連續(xù)流系統(tǒng)中，局部磁感應加熱與連續(xù)流的協(xié)同作用可克服受限微通道內(nèi)的傳質(zhì)阻力，促進MOFs在木材等載體微通道內(nèi)的選擇性均勻生長，MOF負載量較傳統(tǒng)方法提高4倍，且CO?吸附性能顯著增強。光輔助微通道合成中，LED光源與微通道的集成可實現(xiàn)光照強度與照射時間的精準調(diào)控，激發(fā)光響應配體的活性，降低反應活化能，實現(xiàn)溫和條件下的MOFs功能化合成。

5 挑戰(zhàn)與展望

5.1 當前存在的主要挑戰(zhàn)

     盡管微通道連續(xù)流技術(shù)在MOFs可控合成中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，但仍面臨以下挑戰(zhàn)：一是通道堵塞問題，MOFs晶體在合成過程中易在通道壁面附著生長，尤其對于高濃度反應體系或大粒徑產(chǎn)物，堵塞風險更高，影響系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行；二是高粘度與多相體系適應性差，對于高粘度反應液或含固體顆粒的體系，微通道內(nèi)流動阻力大，混合效率降低；三是工業(yè)化放大技術(shù)不成熟，單通道微反應器產(chǎn)量低，多通道并行集成過程中存在流量分配不均、溫度一致性差等問題；四是機理研究尚不系統(tǒng)，對微尺度下傳質(zhì)傳熱與MOFs配位反應動力學的耦合機制、多組分體系的競爭配位機理等缺乏深入理解，難以指導復雜MOFs材料的精準設計合成。

5.2 未來發(fā)展方向與展望

     針對上述挑戰(zhàn)，未來研究可聚焦以下方向：一是開發(fā)抗堵塞微通道反應器，通過表面改性（如疏水涂層）、新型通道結(jié)構(gòu)（如脈沖流通道、動態(tài)膜通道）減少晶體附著，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性；二是拓展反應器適用范圍，優(yōu)化通道結(jié)構(gòu)與進料策略，適配高粘度、多相反應體系的MOFs合成；三是發(fā)展高效放大技術(shù)，基于數(shù)字孿生與仿真模擬，實現(xiàn)多通道并行系統(tǒng)的精準設計與流量、溫度均勻分配，推動工業(yè)化應用；四是深化機理研究，結(jié)合原位表征技術(shù)（如原位XRD、原位TEM）與理論計算（DFT、分子動力學模擬），揭示微尺度下MOFs晶核形成與生長的原子級機理，建立工藝參數(shù)-產(chǎn)物結(jié)構(gòu)-材料性能的構(gòu)效關(guān)系；五是功能導向的定制化合成，開發(fā)模塊化微通道系統(tǒng)，實現(xiàn)MOFs復合材料（如MOF@聚合物、MOF@金屬納米顆粒）的連續(xù)化、精準化制備，拓展其在催化、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應用。

產(chǎn)品展示

    SSC-MOF-FlowSyn是一套專為金屬-有機框架（MOFs）材料的高通量研發(fā)與中試級制備而定制的精密連續(xù)流合成系統(tǒng)。該平臺集成了高通量傳質(zhì)傳熱強化模塊與數(shù)智化過程控制系統(tǒng)，利用過程強化優(yōu)勢，實現(xiàn)了對MOFs晶體成核與生長動力學的獨立解耦與精準調(diào)控。通過對混合效率、溫度場、壓力場及停留時間分布的精確管理，MOF-FlowSyn有效克服了傳統(tǒng)釜式反應中的“放大效應"瓶頸，確保合成產(chǎn)物具有高度的晶型純度、窄粒徑分布與優(yōu)異的結(jié)構(gòu)完整性。系統(tǒng)支持從毫克級篩選到千克級制備的線性放大，為MOFs材料的工藝開發(fā)提供了可重復、可預測的標準化解決方案。賦能材料規(guī)模化生產(chǎn)邁入“智能時代"：構(gòu)建“連續(xù)合成-精細后處理-實時表征"的一站式全自動閉環(huán)系統(tǒng)。