摘要：配位聚合物是一类通过金属离子与有机配体配位形成的多维结构材料，具有可设计性强、功能丰富等优势。其中，金属有机框架作为其典型代表，凭借多孔结构受到广泛关注。然而，MOFs在规模化加工和应用方面存在一定局限。近年来，研究人员创新性地将金属离子与聚合物进行配位，构建
【研究背景】
配位聚合物是一类通过金属离子与有机配体配位形成的多维结构材料，具有可设计性强、功能丰富等优势。其中，金属有机框架作为其典型代表，凭借多孔结构受到广泛关注。然而，MOFs在规模化加工和应用方面存在一定局限。近年来，研究人员创新性地将金属离子与聚合物进行配位，构建出一种新型的配位聚合物——金属聚合物框架（Metal–Polymer Frameworks）。不仅保留了聚合物的机械性能和可加工性，还通过金属配位产生了有序分子通道和周期性框架结构，展现出广阔的应用前景。
【文章简介】
近日，天津大学杨春鹏教授和马来亚大学Wey Yang Teoh副教授在Advanced Functional Materials（影响因子：18.5）上发表了“Emerging Metal–Polymer Frameworks: Structure, Applications, and Perspectives”的综述文章，对金属聚合物框架的研究进展进行了全面概述，介绍了其设计策略与结构，总结了金属聚合物框架在能源、分离、柔性材料和健康防护等领域的中的应用进展，旨在推动该类新型材料的深入研究与实际应用（图1）。
图1. 金属聚合物框架的概述
【主要内容】
1.什么是金属聚合物框架材料？
金属聚合物框架是通过金属离子与聚合物链上的极性官能团（如羟基、羧基、氨基等）的配位构建的一种新型配位聚合物。其核心结构特征是：聚合物链作为骨架，金属离子作为连接节点，形成具有高度有序的分子通道和周期性框架结构。这类材料不仅具有优异的机械强度和柔韧性，还具备离子/分子的传输、分离、吸附等特性，为开发高性能、多功能材料提供了新思路（图2）。
图2. 金属聚合物框架的结构和特性
2.金属聚合物框架的设计策略
从金属聚合物框架的组成和结构设计考虑，合成通常需要考虑聚合物配体和功能性金属离子的选择。天然来源的聚合物（如纤维素、壳聚糖）因其丰富的极性官能团、良好的生物相容性、环境友好性和低成本，成为构建金属聚合物框架的理想配体。金属离子（如Cu²⁺、Zn²⁺、Fe³⁺）的种类影响了材料的功能特性。通过离子配位和溶剂交换法或溶液反应法，金属离子可插入聚合物链间并与极性基团配位。
3.金属聚合物框架的应用
（1）能源存储
固态电解质是实现高安全性、高能量密度电池技术的关键。金属聚合物框架其通道结构有利于离子快速传输，此外，聚合物基底提供了柔韧性和可加工性，为开发高性能固态电解质提供了结构和性能上的新思路。Cu²⁺与纤维素纳米纤维（CNF）配位构建的Li–Cu–CNF材料，其Li+电导率达1.5 × 10⁻³S cm⁻¹，远高于传统聚合物电解质，同时具备29.2 MPa 的机械强度和良好的柔韧性（图3）。图3. 金属聚合物框架用作固态电解质
（2）分离膜
金属聚合物框架其有序通道结构和内含的含氧官能团有助于实现高效的离子/分子选择性分离，用于液流电池、燃料电池、气体分离和海水淡化等场景。Cu²⁺与壳聚糖（Chitosan）配位的chitosan-Cu具有高OH⁻电导率（67 mS cm⁻¹）和低甲醇渗透性（1.02 × 10⁻⁶ S cm⁻¹），在直接甲醇燃料电池（DMFC）中表现出305 mW cm⁻² 的功率密度，远高于商业Nafion膜（图4）。
图4. 金属聚合物框架用作分离膜
（3）柔性材料
金属聚合物框架中通常包含动态配位键与氢键网络，这种结构特性使其在受到外部刺激（如湿度、光照等）时能够发生可逆的结构与性能变化，从而赋予材料响应性与智能性，可应用于智能可穿戴设备、电子皮肤和形状记忆材料。Cu²⁺与CNF配位的TCel-Cu通过水吸收/脱附过程可实现水驱动的形状记忆功能，可用于智能信息载体（图5）。
图5. 金属聚合物框架用作柔性材料
（4）健康与食品安全
金属聚合物框架中金属离子的引入可以带来抗菌活性，同时聚合物的可加工性使其易于制备为涂层材料或复合纤维，适用于食品包装、医疗敷料和防护纺织品。此外，金属聚合物框架还可实现对农药残留等有害物质的选择性吸附与去除，为食品保鲜和公共健康防护提供了绿色、可持续的材料解决方案（图6）。
图6. 金属聚合物框架用作抗菌材料
【总结与展望】
金属聚合物框架材料的出现，为功能材料的设计与应用带来了新的视角与技术路径。本综述系统总结了金属聚合物框架的结构设计、合成策略与应用进展，展现出了金属聚合物框架在离子传输、气体分离、水处理、抗菌等方面的优异性能。金属聚合物框架有望成为可持续发展的新型功能材料，为解决全球面临的能源安全、水资源短缺、健康防护等重大问题提供解决方案。金属聚合物框架已展现出诸多优势，但其发展仍处于早期探索阶段，有待进一步深入研究和推进。
【通讯作者简介】
杨春鹏：天津大学教授，国家级青年人才。2011年本科毕业于中国科技大学，2016博士毕业于中国科学院大学（中科院化学所），2016-2021年于马里兰大学从事博士后工作，2021年入职天津大学。聚焦高安全高比能电化学储能研究，取得了系列创新成果，以第一作者或通讯作者发表了Nature, Nat. Commun., Sci. Adv., PNAS, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等高影响力学术论文，主持国家自然科学基金面上项目和青年基金。更多信息可关注天津大学教师个人主页：https://faculty.tju.edu.cn/Chunpeng_Yang/zh_CN
Wey Yang Teoh：马来亚大学副教授，2003年本科毕业于新南威尔士大学，2007年博士毕业于新南威尔士大学，曾在香港城市大学担任终身副教授。主要研究方向是热和光催化的基本原理，解决各种能源和环境相关问题。
文献详情
N. Yue, S. Umer, R. Subramaniam, W. Y. Teoh, C. Yang, Emerging Metal–Polymer Frameworks: Structure, Applications, and Perspectives. Adv. Funct. Mater.2025, 2425506.
来源：高分子科学前沿一点号1
