【本篇報導由化學系  葉怡均教授研究團隊提供】

　　近二十年來，金屬有機骨架材料（metal–organic frameworks, MOFs）因其高孔隙率、可設計性與結構多樣性而廣受關注。儘管目前已合成超過兩萬種MOFs，但具備超疏水特性的僅約六十種。超疏水MOFs兼具高結晶性、低表面能與優異的抗水解穩定性，可應用於油水分離、二氧化碳捕集、自潔、催化及防腐蝕等領域。本文系統回顧近年超疏水MOFs的發展趨勢與應用，首先探討其潤濕性量測方法（如水接觸角、吸附等溫線與熱重分析），並闡述結構設計與表面粗糙度對疏水性的影響。合成策略主要分為兩類：一為直接合成法，利用含氟或長烷基配體降低表面能；二為後合成修飾（post-synthetic modification, PSM），透過胺化、酰胺化、烷基化或含氟官能團接枝提升疏水性。多數超疏水MOFs的水接觸角高於150°，部分甚至達到176°，展現極強的防水與自清潔特性。本文並整理了不同MOFs及其複合材料的接觸角、修飾方式與應用領域。最後指出未來挑戰包括如何兼顧高比表面積與穩定性，以及開發低成本、環保的合成技術，以推動超疏水MOFs在能源、環境與生物感測等領域的實際應用。

　　超疏水表面因其優異的防水、防腐蝕、自潔及油水分離特性，已成為材料科學與工業應用的重要研究方向。自然界中如荷葉、蝴蝶翅與水黽腿的仿生結構啟發了人們利用微/奈米尺度粗糙度與低表面能設計人工超疏水材料。

　　金屬有機骨架（MOFs）是一種以金屬離子為節點、有機小分子為架橋，透過配位鍵形成規則排列之晶體材料。其結構具高度可設計性、極高孔隙度與比表面積等特性，可藉由調變金屬中心或有機配體組成，賦予特定的化學功能。近年來，MOFs被廣泛應用於氣體儲存/分離/純化、環境污染物移除、藥物釋放、生物感測器、光致與電致發光、以及磁性材料等領域，皆展現出優異穩定性與反應活性。

　　在超疏水MOFs的設計中，潤濕性通常以水接觸角評估，水接觸角超過150°即被視為超疏水表面。其疏水性主要受表面能與粗糙度影響，可藉由在框架中引入含氟或長烷基鏈等疏水基團以降低表面能。常用的表徵技術包括水接觸角量測、水蒸氣吸附等溫線與熱重分析，以判定材料抗水吸附能力與結構穩定性。

　　目前合成超疏水MOFs的方法可分為直接合成法與後合成修飾法兩類。前者藉由在配體中引入三氟甲基（–CF₃）或長鏈烷基等疏水基團，於材料合成過程中直接形成低表面能結構；例如Zr(IV)與三氟乙醯胺基對苯二甲酸反應所得的SH-UiO-66，其接觸角達160°，並具優異油水分離性能；另一例UHMOF-100以高氟含量配體構築，其接觸角高達176°。後者則利用既有MOF結構上之官能團（如–NH₂、–CHO或–SH）進行化學修飾，引入疏水鏈段以提升防水性。多種Zr與Cr基MOFs經PSM後，水接觸角提升至150–160°，同時保留高孔隙度與穩定性。

　　此外，將MOFs與聚二甲基矽氧烷（PDMS）、石墨烯或海綿基材複合，可製得柔性、可回收的超疏水吸油材料，應用於油污吸附、防污塗層與氣體捕集等領域。現有研究顯示，多數超疏水MOFs如FMOF-1、UiO-66-CF₃、ZIF-8-VF等，其接觸角介於151°至176°之間，展現穩定且可重複使用的特性。

　　未來的研究挑戰包括如何在維持高比表面積與孔隙結構的同時，實現長期且穩定的超疏水特性；降低含氟表面修飾可能帶來的環境風險；以及發展綠色、低成本且適合大規模製備的合成方法。此外，透過仿生微奈米結構設計、可再生有機配體及先進製程技術的整合，可望進一步提升MOFs的性能與耐久性。未來，超疏水MOFs有機會發展為兼具防水、自潔、抗污染及選擇性分離等多重功能的新世代材料，廣泛應用於能源轉換、環境修復、智慧表面工程、感測器及水資源處理等領域。

原文出處：Pal, S., Kulandaivel, S., Yeh, Y. C., & Lin, C. H. (2024). Recent trends in superhydrophobic metal−organic frameworks and their diverse applications.  Coordination Chemistry Reviews, 518, Article 216108. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2024.216108