1.材料定义与起源
UiO 系列金属有机骨架是一类以锆离子（Zr⁴⁺）为金属节点、线性二羧酸配体为连接体的晶态多孔材料，由挪威奥斯陆大学（University of Oslo）的科研团队于2008年首次开发。
该系列材料的命名源自其母体机构缩写 “UiO”，代表性成员为 UiO-66。
其核心结构由 [Zr₆O₄(OH)₄] 次级结构单元（SBUs）与对苯二甲酸（BDC）等配体通过配位键连接，形成具有八面体中心孔笼与四面体角笼交织的三维网状结构，兼具高比表面积与可调控孔道特性。
核心成员包括UiO-66、UiO-67和UiO-68：
UiO-66：使用对苯二甲酸（H₂BDC）作为配体，形成八面体孔笼和四面体孔笼交替排列的结构，孔径约0.8-1.1 nm，比表面积达839 m²/g。
UiO-67：采用4,4′-联苯二羧酸酯（BPDC）作为配体，孔径扩大至约1.6 nm，但水稳定性较UiO-66差。
UiO-68：使用更长的配体，进一步增大孔径，但机械和化学稳定性降低。
DOI:10.11862/CJIC.2017.105.
2.核心结构特征
UiO 系列材料的结构优势使其在众多领域展现出独特性能：
刚性骨架稳定性：Zr-O 键的键能高达 200-300kJ/mol，赋予材料优异的热稳定性（分解温度 > 500℃）和化学稳定性，可在 pH2-12 的酸碱环境及常见有机溶剂（如 N,N – 二甲基甲酰胺、丙酮）中保持结构完整。
多级孔道结构：典型材料 UiO-66 的比表面积达 1500-2000 m²/g，孔径约 1.1 nm（孔笼直径），通过引入不同长度的二羧酸配体（如联苯二甲酸、萘二甲酸），孔径可调节至 0.8-2.5 nm，满足不同分子尺寸的分离与催化需求。
配体功能化位点：节点周围的开放配位点及配体上的活性基团（如氨基、羧基）为材料的后修饰提供了丰富位点，可通过配位化学或共价键修饰实现功能拓展。
无机节点与拓扑结构：UiO系列的核心为六核金属簇，通过12个线性二羧酸配体（如对苯二甲酸、联苯二甲酸等）连接，形成面心立方（fcc）拓扑结构。
这种高配位数（每个金属簇连接12个配体）赋予材料极高的热稳定性（可达500–550°C）和化学稳定性（耐受强酸、强碱及有机溶剂）。
孔隙与缺陷：UiO-66、UiO-67等成员具有两种笼状结构—超四面体笼（约12 Å）和超八面体笼（约16–18 Å），通过微孔三角形窗口（约6–8 Å）连通。
值得注意的是，实际合成的UiO材料常存在“缺失连接体”缺陷，缺陷浓度可通过调节合成条件（如乙酸调节剂浓度、反应时间）控制，从而显著提升孔隙率（比表面积可达1600 m²/g）与气体吸附性能。
DOI: 10.1039/c4cc09986a
1.配体功能化：通过引入氨基（-NH₂）、硝基（-NO₂）等官能团修饰有机配体，可改变材料的表面性质。
例如，UiO-66-NH₂在CO₂吸附与催化中表现优异，而UiO-66-NO₂则增强了对特定污染物的吸附能力。
DOI: 10.1039/c5dt03178h
2.缺陷工程：通过可控缺陷生成路易斯酸位点（如暴露的Zr⁴⁺），提升催化活性。例如，缺陷型UiO-66在酸催化反应中表现出高效性。
1.催化与能源转化
UiO 系列材料的高稳定性与可设计性使其成为多相催化的理想载体：
CO₂捕集与转化：在 UiO-66 孔道内负载 5 nm Pd 纳米颗粒（Pd@UiO-66），用于 CO₂加氢制甲醇反应，在 200℃、3 MPa 条件下，CO₂转化率达 92%，甲醇选择性 > 95%，循环使用 10 次后活性保持率 > 90%。
其催化机理归因于 Zr 节点对 CO₂的化学吸附与 Pd 颗粒的氢解离协同作用。
电催化产氧：通过配体工程制备的 UiO-67-Co（钴掺杂）材料，在碱性电解液中表现出优异的氧析出反应（OER）活性，过电位仅 280 mV（@10 mA/cm²），塔菲尔斜率为 65 mV/dec，性能优于多数贵金属基催化剂。
热电材料开发：将 UiO-67 与聚 3,4 – 乙烯二氧噻吩 – 聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）复合，制备柔性热电薄膜。
当温度梯度为 50 K 时，其功率因子达 3.67×10⁻² nW・m⁻¹・K⁻²，电导率提升至 5.96×10⁻³ S・cm⁻¹，为废热回收领域提供了轻质化解决方案。
2.吸附与分离
多孔结构与表面化学性质使 UiO 材料在气体储存与液体分离中具有重要应用：
气体储存：在 77 K、1 bar 条件下，UiO-66 的 H₂吸附量达 1.45 wt%（质量分数），结合其低密度（0.65 g/cm³）特性，体积储氢密度达 12.5 g/L；在 298 K、35 bar 下，CH₄吸附量达 240 cm³/g，高于多数商用活性炭材料。
水净化膜：将 UiO-66-NH₂与聚酰胺（PA）复合制备纳滤膜，对 Na₂SO₄的截留率 > 98%，水通量达 22.5 L・m⁻²・h⁻¹，其氨基基团与水中重金属离子（如 Cu²⁺、Pb²⁺）的螯合作用显著提升除污效率，且耐氯性能优于传统 PA 膜。
芳烃异构体分离：利用 UiO-68 的孔径匹配效应（孔径 1.3 nm），对二甲苯 / 邻二甲苯混合物的分离选择性达 15:1，突破传统分子筛的分离极限，为石化行业的芳烃提纯提供新路径。
3.生物医学应用
UiO 材料的可控降解性与表面功能性推动了其在生物医学领域的探索：
药物递送系统：以 UiO-66 为载体负载抗癌药物阿霉素（DOX），通过 pH 响应释放机制实现肿瘤微环境（pH 5.5）的靶向治疗。
体外实验表明，DOX 负载量达 40 wt%，在 pH 7.4 的生理环境中 24 小时释放率 ，而在 pH 5.5 条件下释放率达 85%，显著降低对正常细胞的毒性。
生物检测传感器：构建 UiO-67@Au 纳米复合材料，利用金纳米颗粒的表面等离子体共振效应与 UiO 孔道的分子富集作用，对葡萄糖的检测灵敏度达 218 μA・mM⁻¹・cm⁻²，检测限低至 0.1 μM，适用于微创血糖监测。
骨组织工程：羟基化修饰的 UiO-68-OH 与聚乳酸（PLA）复合支架，其孔隙率达 75%，抗压强度达 15 MPa，且 Zr 离子的缓释可促进成骨细胞分化，细胞存活率 > 95%，展现出良好的生物相容性与骨诱导活性。
UiO 系列金属有机骨架材料凭借其卓越的结构可调性、化学稳定性与多功能集成潜力，在催化、分离、能源、医学等领域展现出广阔的应用前景。
未来研究需聚焦于材料性能的精准调控、应用场景的深度挖掘及可持续发展路径的探索，推动 UiO 系列材料在更广泛领域发挥关键作用。
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