近日，我院汪骋教授团队在锆基金属有机框架中金属纳米颗粒的空间分布规律方面取得重要进展，相关研究成果以“Predicting Internal Versus External Nanoparticle Formation in Zr-Based Metal−Organic Frameworks”为题，在线发表于J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.6c05556）。
金属有机框架（MOFs）因其高比表面积、有序孔道结构和模块化可调的化学特性，已成为多相催化中负载金属纳米颗粒的重要载体。当金属纳米颗粒被限域在MOF内部孔腔中时，周围的孔道环境可以有效抑制颗粒烧结和长大，并对催化反应的选择性和稳定性产生重要影响；相比之下，位于外表面的纳米颗粒主要与框架外部发生相互作用，其行为更接近传统负载型催化剂。因此，金属纳米颗粒的空间分布——是位于孔道内还是外表面——直接决定了催化体系的结构与性能。然而，这一问题在以往研究中往往被视为实验结果，而非一种可以提前预测的材料性质。
针对这一挑战，研究团队首先系统梳理了2005年至2026年间185篇文献中的291个案例，发现相较于完全限域于MOF孔道内部，金属纳米颗粒形成于外表面更为普遍，且其空间分布并非单纯由合成条件决定，而与金属物种和框架环境之间的内在相互作用密切相关。为在受控条件下揭示这一规律，团队采用统一的双溶剂法，在11种锆基MOFs中引入10种过渡金属，构建了110种Metal@MOFs组合，并借助透射电子显微镜（TEM）将其分为“孔道内”和“外表面”两类。随后结合4个金属-界面相互作用描述符和45个低维MOF描述符，机器学习筛选出“QMO+扩散势垒（DB）+氧化还原/贵金属相关性质+MOF Factor 37”的特征组合，揭示了决定纳米颗粒空间定位的关键因素：由金属与Zr-oxo节点的亲和力、金属在π共轭有机配体环境中的迁移能力，以及配体杂原子提供的额外稳定作用共同决定。该研究将“金属纳米颗粒在MOF孔道内/外表面形成”这一过去多依赖经验判断的问题，提升为可以用化学可解释描述符进行预测和调控的科学问题。
该工作在汪骋教授和蒋一彬副教授的共同指导下完成，我院2025届博士毕业生苏兆敏为文章的第一作者。该研究工作得到国家重点研发计划（2021YFA1502500）、国家自然科学基金（22125502、22461160282、22121001、92461305、22501108）、高校基本科研业务费（20720240151、20720250005）以及中国博士后科学基金（2025M770967）等项目的支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c05556
