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Take Home Message
．MOFs 以高比表面積與可調控孔洞為優勢，加上透過降低原料成本與導入綠色製程，MOFs 正從實驗室材料漸漸轉化為可量產、應用的材料。
．具備高吸附量與低溫再生特性的鋁基 MOFs，在工業除濕中可大幅降低能源消耗，實測節能約25%，展現取代傳統乾燥劑的技術潛力。
．MOFs 正快速邁向全球產業化，從碳捕捉到氣體淨化等皆展現應用潛力。在跨領域技術鏈與成形製程成熟下，MOFs 已從實驗室材料走向工程應用，成為淨零與永續的重要材料。

金屬有機骨架（metal organic frameworks, MOFs），是一類由金屬離子與有機分子配體組成的晶體材料。這些結構像是由奈米積木所組成的三維網路，具有極高的比表面積（specific surface area, SSA）與可調整孔洞。研究顯示，一克 MOFs 的內部表面積可以超過 7000 甚至上萬平方米，相當於一座足球場的面積。這樣驚人的特性讓 MOFs 成為新世代多孔材料的重要代表。它能吸附氣體、捕捉濕氣、儲存分子，並且可以依需求來客製孔徑大小與化學功能。近年來，也被廣泛應用於氣體分離、除濕乾燥、碳捕捉、揮發性有機物（volatile organic compounds, VOCs）淨化，以及電子級氣體純化等領域。

從實驗室走向產業

過去 20 年間，全球 MOFs 研究的焦點從基礎結構轉向實際應用。早期研究多著重於材料性能與孔洞設計，而如今更重視「如何大量製造並穩定應用」。這象徵著 MOFs 正從學術舞臺跨入工業現場，從一種化學物質，轉變為一項能帶來節能與淨零減碳價值的產業技術。

商業化的關鍵：從原料到再利用

而要讓 MOFs 真正走出實驗室，關鍵在於建立一套經濟、環保且可重複運轉的製程體系。這包含四個核心要素：原料成本、綠色製程、量產技術與材料回收。

（一）控制原料成本
在早期的 MOFs 研究中，常使用昂貴的金屬鹽，例如硝酸鋯（Zr(NO₃) ₄）或醋酸銅（Cu(CH₃COO) ₂．H₂O）與複雜的有機配體。這些材料雖能生成高品質晶體，但成本過高，且有些配體來源有限，不適合量產。因此，MOFs 商業化的趨勢是選擇價格穩定、反應安全的金屬來源，例如鋁（Al³⁺）與鋯（Zr⁴⁺）等，並透過配體結構設計達成所需性能。此外，也有研究團隊在尋找可回收或可生物降解的有機配體，以降低長期供應風險。這些策略不僅降低製造成本，也符合循環經濟的精神。

（二）採用綠色溶劑與節能製程
MOFs 的合成過程通常需要溶劑。傳統常用的有機溶劑二甲基甲醯胺（N, N-dimethylformamide,DMF）與氫氟酸（hydrofluoric acid, HF）具有毒性與腐蝕性，不利於環境與人員安全。因此，現今各大實驗室與產業正積極推動水系反應與低毒性溶劑取代技術，例如利用水、乙醇、醋酸等作為反應介質，同時採用常壓、100℃以下條件進行反應。這樣的綠色製程不僅安全，還能節省能源。 以工研院的 3000 公升（L）級水系反應系統為例，透過精密控制反應溫度與混合速率，可在短時間內完成晶化，並穩定生產百公斤等級 MOFs 材料，為未來噸級量產建立可複製的基礎（圖一）。

（三）量產技術的演進

MOFs 的量產化，是將化學實驗轉化為化工製程的過程。在早期的研究中，多以「批次反應」方式生產，每次反應只能處理幾升原料，效率有限。近年則興起連續流製程（continuous flow synthesis）與機械化合成（mechanochemical synthesis）兩大技術方向。

連續流製程的概念類似化工產線，原料以穩定流速注入反應管，經過加熱與冷卻區段後直接生成MOFs 晶體。此法的優點在於能精準控制反應時間與熱分布，避免局部過飽和或副反應發生，同時可持續產出主要產品。例如英國化學品製造公司Promethean Particles 已利用此方法生產多種水性MOFs，每小時產量可達數公斤。另一方面，機械化合成則是利用旋轉或擠壓的機械力促進金屬與配體結合，不需大量溶劑。這種方法節能、省水且反應時間短，更可被視為綠色化學的典範之一。

（四）材料回收與再利用
MOFs 在使用一段時間後，孔洞可能被汙染物堵塞，甚至因濕氣而結構崩解。這些失去活性的材料若直接廢棄，將造成成本與環境負擔。為此，研究者已開發多種再生與再利用策略。部分 MOFs 可透過低溫熱再生或化學沖洗重新活化，回復吸附性能；若材料結構已永久損壞，也可透過焙燒轉化為金屬氧化物，作為新材料的前驅物。這樣的「閉環式管理」理念，讓 MOFs 的生命週期從一次性使用延伸為循環系統，成為真正的綠色工業材料。

成形技術：讓粉末成為產品

合成後的 MOFs 通常呈現微細粉末狀。雖然這種型態適合實驗研究，但在工業系統中卻難以使用，因為粉末會造成飛散、堵塞管路，甚至因摩擦產生靜電危險。因此，必須透過成形技術（shaping），將 MOFs 轉化為能耐壓、可循環使用的實體材料。以下是將粉末轉換成其他形狀的成形方式：

（一）顆粒化：兼顧強度與孔隙
顆粒化是最常見的成形方式。研究人員將 MOFs 粉末與少量黏著劑混合，再經由高剪力混合、擠出或滾圓成球，使 MOFs 粉末形成 1~5 毫米大小的顆粒。在這個過程中，黏著劑的選擇十分重要：如果比例太高會堵塞孔洞、降低吸附性能；若太低則導致顆粒脆裂。而由工研院團隊開發的高剪力造粒技術則可精準控制顆粒結構，使 MOFs 保持高比表面積，同時具備足夠的機械強度。這些顆粒能在吸附塔中長時間循環操作，並承受高速氣流的衝擊。

MOFs 成形技術。由上至下分別為 MOFs 顆粒、轉輪與蜂巢狀多孔結構，這些不同成形方式讓MOFs 從粉末化學品轉化為可操作的工程材料。（工研院提供）

（二）蜂巢轉輪結構：為空氣流動而設
除了顆粒化，另一種具代表性的成形技術是蜂巢轉輪式載體（圖二）。這種結構以玻璃纖維為基材，將 MOFs 均勻塗布於結構表面，形成高孔隙、低阻力的多層通道。當空氣流經其中時，MOFs 可迅速吸附或釋放水氣，實現連續除濕與再生循環。這種「吸附―再生」的雙區輪轉設計，目前已廣泛應用於除濕與乾燥模組。……【更多內容請閱讀科學月刊第673期】