光响应金属-有机骨架结构特征与吸附分离性能动态调控

doi:10.3724/SP.J.1123.2026.01025

摘要/Abstract

摘要：

光响应金属-有机骨架（photoresponsive metal-organic frameworks， PMOFs）是将光敏分子引入金属-有机骨架（MOFs）构建而成的一类智能材料，其兼具MOFs自身优越的孔结构与光致异构性能动态调控特性，在精准调控吸附分离行为、吸附剂绿色节能回收应用中展现出独特的优势，受到广泛关注。本文综述了常见光敏分子的种类和性质，包括偶氮苯类、螺吡喃类、二芳基乙烯类、螺噁嗪类、俘精酸酐类、席夫碱类，以及3种光敏基团/分子与MOFs的构建方式，如骨架接入型、侧基接入型和客体嵌入型。通过总结分析不同光敏基团异构化性质差异与PMOFs的结构特征，介绍了光致异构对MOFs性质的多维度调控，如孔道尺寸、表面性质、骨架形状等。结合典型应用研究案例，从构-效视角探讨PMOFs在小分子气体、金属离子、染料吸附分离应用中的调控模式与应用潜力。最后，本文对PMOFs面临的核心问题进行了总结，借以同研究者讨论并推动PMOFs多维度的探索和发展。

关键词: 光响应金属-有机骨架, 光敏分子, 光致异构, 吸附, 分离, 综述

Abstract:

Metal-organic frameworks （MOFs） are attractive porous materials with periodic network structures， which are constructed via the self-assembly of metal ions （or metal clusters） and bridging organic ligands. MOFs have some unique advantages of designability， ordered pore structure， high specific surface area and modifiability. Photoisomerization refers to the phenomenon in which， under light of specific wavelengths， the molecular structures of certain compounds undergo reversible interconversion due to photoexcitation. Both isomeric forms can exist stably under certain conditions and exhibit distinct chemical and physical properties. On this basis， photoresponsive MOFs （PMOFs） are proposed as a class of smart materials constructed by integrating photoactive molecules into MOFs. PMOFs combine the inherent superior porous structure of MOFs with the dynamic tunability enabled by photo-induced isomerization and exhibit unique advantages in many fields， including catalysis， drug release， separation， anti-counterfeiting， etc. PMOFs， for instance， can precisely regulate adsorption/separation behaviors and enable green， energy-efficient recovery of adsorbents under photoinduction， which has attracted widespread attention. This review summarizes common types and properties of photoactive molecules， including azobenzene， spiropyran， diarylethene， spirooxazine， fulgide， Schiff base， etc.， as well as three main integration strategies of photosensitive units/molecules with MOFs frameworks. Backbone incorporation involves using the entire photoactive organic molecule as an organic ligand within the MOF framework. For side-group grafting， the photoactive moiety is attached as a side group or through post-synthetic modification of the organic ligand， effectively grafting it onto the MOF backbone. Guest encapsulation is referred to embedding photoactive molecules as independent guest species within the cavities or pores of the MOF. By analyzing the differences in isomerization of various photoactive groups and the structural features of different integration modes， the multidimensional modulations of MOF are illustrated in pore size， surface properties， host-guest interaction， “hiding” and “exposure” of adsorption active sites， and framework geometry via photoisomerization. Furthermore， from a structure-performance perspective and with representative case studies， this review discusses the regulatory mechanisms and application potential of PMOFs in the adsorption and separation of small-molecule gases， metal ions， and organic dyes. The key limitation of PMOFs lies in whether the MOF framework is robust enough to tolerate the molecular mechanical forces produced by photoswitch configurational rearrangements. The cyclic photo‑switching performance of PMOFs is often unsatisfactory， which is primarily attributed to the molecular mechanical forces generated during repeated photoisomerization， which may cause local microscopic distortion， phase transitions， or even framework collapse in MOFs. In addition， the photo‑response efficiency of PMOFs is inadequate， which is obviously lower than photosensitive molecules in solution. This is likely due to limited optical penetration depth， steric hindrance within the pores， and framework‑induced quenching of the excited‑state configuration. The above challenges are summarized in this paper， with the aim of facilitating discussions among researchers and promoting their multidimensional exploration and development.

Key words: photoresponsive metal-organic frameworks, photosensitive molecules, photoisomerization, adsorption, separation, review

中图分类号:

O658

刘莉萌, 解文哲, 曲艳莹, 蔡天培, 李东浩, 商海波. 光响应金属-有机骨架结构特征与吸附分离性能动态调控[J]. 色谱, 2026, 44(10): 1150-1161.

LIU Limeng, XIE Wenzhe, QU Yanying, CAI Tianpei, LI Donghao, SHANG Haibo. Structural features and regulation of adsorption/separation properties of photoresponsive metal-organic frameworks[J]. Chinese Journal of Chromatography, 2026, 44(10): 1150-1161.

图/表 5

图1 常见光敏分子及其光致异构化过程

Fig. 1 Chemical structures and photoisomerization of common photosensitive molecules hν1 and hν2 denote photoinduction conditions using two different wavelengths of irradiation.

图2 光敏基团/分子引入MOFs中的3种方式

Fig. 2 Three strategies of photosensitive moieties introduced into metal-organic frameworks （MOFs）

图3 不同类型PMOFs示例

Fig. 3 Examples of different types of photoresponsive MOFs （PMOFs）a. PSZ-1 in both the open and closed conformation［50］； b. a diarylethene functional MOF ［Zn2（SDC）2（BPMTC）］ for C2H2 high selectivity adsorption and photo-switchable low energy release［52］； c. change of the twofold interpenetrated frameworks of ［Zn4（bdc）4（LO）2·4DMF·H2O］ n by LO photoisomerization［49］； d. sketch of the series of PMOF with the azo-benzene side groups in the trans form［53］； e. MIL-101（Cr） covalently immobilizing photoactive SP molecules via amide linkages［54］； f. schematic presentation of MOF UiO-68 incorporated with Aberchrome 670［55］.

图4 光响应基团作为侧基引入MOFs的3种方式

Fig. 4 Three methods for introducing photosensitive groups as pendent groups into MOFs

图5 光诱导调控MOFs性质

Fig. 5 Regulation of MOFs properties via photoinduction

参考文献

[1]	Liu Y， Lei Q， Chen J， et al. Appl Surf Sci， 2025， 699： 163128
[2]	Habr J J， Alem F E， Kanagavalli P， et al. Sensor Actuator Rep， 2025， 10： 100377
[3]	Li J-R， Kuppler R J， Zhou H-C. Chem Soc Rev， 2009， 38（5）： 1477
[4]	Bloch E D， Queen W L， Krishna R， et al. Science， 2012， 335（6076）： 1606
[5]	Chen B， Xiang S， Qian G. Acc Chem Res， 2010， 43（8）： 1115
[6]	Yang X-Q， Yu L-Q， Li L-F， et al. Anal Chim Acta， 2024， 1294： 342293
[7]	Ma N， Cai K， Zhao J， et al. Adv Mater， 2025， 37（32）： 2503056
[8]	Mandal S， Natarajan S， Mani P， et al. Adv Funct Mater， 2021， 31（4）： 2006291
[9]	Hussain M Z， Yang Z， Huang Z， et al. Adv Sci， 2021， 8（14）： 2100625
[10]	Li S， Han W， An Q-F， et al. Adv Funct Mater， 2023， 33（38）： 2303447
[11]	Xu F， Feringa B L. Adv Mater， 2023， 35（10）： 2204413
[12]	Pardo R， Zayat M， Levy D. Chem Soc Rev， 2011， 40（2）： 672
[13]	Bandara H M D， Burdette S C. Chem Soc Rev， 2012， 41（5）： 1809
[14]	An Z， Zhang J-M， Lv M-Y， et al. Anal Chem， 2021， 93（51）： 17051
[15]	Reineke T M， Eddaoudi M， Moler D， et al. J Am Chem Soc， 2000， 122（19）： 4843
[16]	Chen Z-F， Xiong R-G， Abrahams B F， et al. J Chem Soc，Dalton Trans， 2001， 17： 2453
[17]	Liu Y， Eubank J F， Cairns A J， et al. Angew Chem Int Ed， 2007， 46（18）： 3278
[18]	Modrow A， Zargarani D， Herges R， et al. Dalton Trans， 2011， 40（16）： 4217
[19]	Xu Y， Tang Y， Li Q. Adv Funct Mater， 2025， 35（22）： 2416359
[20]	Sun F， Xiong X， Gao A， et al. Chem Eng J， 2022， 427：132037
[21]	Chen Y， Gao S， Cheng Y， et al. Chem Eur J， 2023， 29（27）： e202300222
[22]	Shepherd N D， Wang T， Ding B， et al. Inorg Chem， 2021， 60（16）： 11706
[23]	Küssner K， Listyarini R V， Rödl M， et al. Chem Mater， 2023， 35（17）： 6953
[24]	Cai T， Lei X， Shang H-B， et al. Anal Chem， 2025， 97（1）： 894
[25]	Merino E， Ribagorda M. Beilstein J Org Chem， 2012， 8： 1071
[26]	Lin Y， Kouznetsova T B， Foret A G， et al. J Am Chem Soc， 2024， 146（6）： 3920
[27]	Zhao Y， Li Z， Ma J， et al. ACS Appl Mater Interfaces， 2021， 13（47）： 55806
[28]	Kortekaas L， Browne W R. Chem Soc Rev， 2019， 48（12）： 3406
[29]	Klajn R. Chem Soc Rev， 2014， 43（1）： 148
[30]	Wu H， Wu W， Hu L， et al. Chem Eng J， 2023， 469： 143781
[31]	Qiu W， Zhang Y， Fu X， et al. Chem Eng J， 2025， 523： 168380
[32]	Zhang T， Lou X-Y， Li X， et al. Adv Mater， 2023， 35（11）： 2210551
[33]	Zou Y， Gao H， Su C， et al. J Polym Res， 2024， 31（2）： 34
[34]	Foytong W， Pattaweepaiboon S， Pimpathong L， et al. J Photochem Photobiol A， 2024， 453： 115633
[35]	Wu Z， Wang W， Qiu L， et al. ACS Appl Mater Interfaces， 2026， 18（3）： 6055
[36]	Irie M， Mohri M. J Org Chem， 1988， 53（4）： 803
[37]	Bianco A， Ferrari G， Castagna R， et al. Phys Chem Chem Phys， 2016， 18（45）： 31154
[38]	Marcon M， Haag C， König B. Beilstein J Org Chem， 2025， 21： 1808
[39]	Xu J， Volfova H， Mulder R J， et al. J Am Chem Soc， 2018， 140（33）： 10482
[40]	Lvov A G， Khusniyarov M M， Shirinian V Z. J Photochem Photobiol C， 2018， 36： 1
[41]	Li Z， Zeng X， Gao C， et al. Coord Chem Rev， 2023， 497： 215451
[42]	Hou I C-Y， Berger F， Narita A， et al. Angew Chem Int Ed， 2020， 59（42）： 18532
[43]	Renth F， Siewertsen R， Temps F. Int Rev Phys Chem， 2013， 32（1）： 1
[44]	Kim Y， Tamaoki N. ChemPhotoChem， 2019， 3（6）： 284
[45]	Du Y， Huang C-R， Xu Z-K， et al. JACS Au， 2023， 3（5）： 1464
[46]	Du Y， Liao W-Q， Li Y， et al. Angew Chem Int Ed， 2023， 62（51）： e202315189
[47]	Mir M A， Banik B K. Inorg Chem Commun， 2025， 174： 113987
[48]	Chaturvedi I， Vyas S， Mishra R. Dyes Pigm， 2025， 239： 112748
[49]	Zheng Y， Sato H， Wu P， et al. Nat Commun， 2017， 8（1）： 100
[50]	Furlong B J， Katz M J. J Am Chem Soc， 2017， 139（38）： 13280
[51]	Nikolayenko V I， Herbert S A， Barbour L J. Chem Commun， 2017， 53（81）： 11142
[52]	Wang Y-X， Yang S-R， Li G-P， et al. ACS Mater Lett， 2023， 5（11）： 3074
[53]	Wang Z， Müller K， Valášek M， et al. J Phys Chem C， 2018， 122（33）： 19044
[54]	Liu Y， Zhao Y， Jiang L. ACS Appl Nano Mater， 2023， 6（19）： 17996
[55]	Li C， Zhang Z， Heinke L. Langmuir， 2022， 38（43）： 13103
[56]	Kanj A B， Chandresh A， Gerwien A， et al. Chem Sci， 2020， 11（5）： 1404
[57]	Park J， Yuan D， Pham K T， et al. J Am Chem Soc， 2012， 134（1）： 99
[58]	Xin Q， Li S， Ma F， et al. Sep Purif Technol， 2022， 296： 121363
[59]	Kim S-Y， Yoon T-U， Kang J H， et al. ACS Appl Mater Interfaces， 2018， 10（32）： 27521
[60]	Garg S， Schwartz H， Kozlowska M， et al. Angew Chem Int Ed， 2019， 58（4）： 1193
[61]	Zheng H-Q， Yang Y， Wang Z， et al. Adv Mater， 2023， 35（26）： 2300177
[62]	Liang H-Q， Guo Y， Peng X， et al. J Mater Chem A， 2020， 8（22）： 11399
[63]	Qian T， Zhang H， Li X， et al. Angew Chem Int Ed， 2020， 59（31）： 13051
[64]	Eichler C， Rázková A， Müller F， et al. Chem Mater， 2021， 33（10）： 3757
[65]	Dang L-L， Zhang X-J， Zhang L， et al. J Coord Chem， 2016， 69（7）： 1179
[66]	Chen Y， Kong C， Li X， et al. J Mater Chem A， 2025， 13（33）： 27618
[67]	Fan C B， Le Gong L， Huang L， et al. Angew Chem Int Ed， 2017， 56（27）： 7900
[68]	Prasetya N， Ladewig B P. J Mater Chem A， 2019， 7（25）： 15164
[69]	Prasetya N， Ladewig B P. ACS Appl Mater Interfaces， 2018， 10（40）： 34291
[70]	Liu Y， Chen Y， Guo Y， et al. ACS Nano， 2022， 16（10）： 16343
[71]	Zhang P， Zhang Y， Wu F， et al. Nat Commun， 2025， 16（1）： 2361
[72]	Zhu J， Zhong S， Sun L， et al. Chinese Journal of Inorganic Chemistry， 2023， 39（8）： 1510
	朱竞，钟顺，孙林，等. 无机化学学报， 2023，39（8）： 1510
[73]	Li S， Chai Y， Zhang J， et al. J Saudi Chem Soc， 2024， 28（4）： 101880
[74]	Wang R， Qi H， Zheng H， et al. Chin Chem Lett， 2024， 35（7）： 109215