新型固态吸附捕集材料（MOF）技术研究 · 深度调研报告

报告编号：OGG-A-002 专题赛道：CCUS 与双碳 → CO₂ 捕集 → 新型固态吸附材料 出品方：北京经纬智汇信息咨询有限公司 报告日期：2026 年 6 月 保密级别：内部参考（限管理层、技术团队及合作方） 版本：V1.0 字数规模：约 13,500 字

执行摘要

金属有机框架（Metal-Organic Frameworks，MOF）是一类由金属节点与有机配体通过配位键自组装而成的结晶多孔材料，比表面积可高达 7,000–10,000 m²/g，孔径与表面化学可在分子尺度上"按需定制"。在碳捕集、利用与封存（CCUS）成为难减排行业深度脱碳现实选择的背景下，MOF 作为新一代固态吸附剂，正从实验室突破走向工业现场，被业界视为对传统液相胺法（MEA）的代际替代。本报告基于全球多源公开资料，对该技术体系的原理、材料、工程、市场、竞争与政策进行了系统调研，核心结论如下：

结论一：技术拐点已至，2021–2025 年完成"从论文到工厂"的关键跃迁。 2021 年 12 月，加拿大卡尔加里大学 Shimizu 团队（华人学者林健斌为第一作者）在《Science》发表 CALF-20 材料，证明其兼具高容量、高选择性、强水稳定性与低成本可扩展性；2023 年 10 月，巴斯夫（BASF）成为全球首家实现 MOF 商业级量产（数百吨/年）的企业，为加拿大 Svante 公司供应 CALF-20；2025 年 5 月，Svante 在加拿大伯纳比投运全球首座碳捕集过滤器"千兆工厂"（年产能对应 1,000 万吨 CO₂ 捕集）。2025 年 10 月，诺贝尔化学奖授予 MOF 三位奠基人（北川进、Robson、Yaghi），为该技术路线提供了里程碑式的科学背书。

结论二：能耗优势是 MOF 颠覆传统路线的核心价值锚点。 传统 30 wt% MEA 液相吸收的再生能耗高达 3.7–4.0 GJ/t CO₂，占运营成本的 70–80%，并使电厂热效率下降 11–15%。基于 CALF-20 的 Svante 固态吸附结构化过滤器结合低压蒸汽再生，可将分离能耗降至约 0.3 GJ/t CO₂ 量级（占位数据，详见正文第 4 章），叠加近半的资本开支降低，构成对胺法的系统性成本碾压。

结论三：市场处于爆发前夜，碳捕集是 MOF 需求的第一增长引擎。 全球 MOF 材料市场 2025 年规模约 5–11 亿美元（口径差异较大），主流机构预测 2030–2035 年达 17–38 亿美元，复合增长率（CAGR）在 14%–40% 区间；其中碳捕集是公认的最大增量驱动。下游 CCUS 整体市场 2024 年约 43 亿美元，2030 年将达 129 亿美元（CAGR 24%），直接空气捕集（DAC）市场更以 60%–68% 的超高增速扩张。

结论四：竞争格局呈"加拿大领跑、欧美追赶、中国快速崛起"三极。 Svante（叠加 BASF 量产、Chevron/3M/淡马锡 3.18 亿美元 E 轮）是点源捕集明确龙头；Baker Hughes 收购伯克利衍生的 Mosaic Materials 卡位 DAC；英国 Nuada、瑞士 UniSieve 等以差异化工艺切入。中国阵营中，珠海碳语新材（全球第二梯队）、岳阳兴长（国内唯一百吨级量产）已形成产业雏形，新疆油田已落地 MOF 油气回收与沙漠空气取水应用。

结论五：规模化成本与材料稳定性仍是商业化最后一公里的瓶颈。 配体成本、成型造粒后的性能衰减、SOx/NOx 等酸性杂质耐受性、长周期循环稳定性，是当前共性挑战。BASF 透露单一 MOF 从实验室到工业放大需约 2 年。机器学习辅助材料发现（AI 已将 MOF 筛选周期缩短 35%–45%）正成为破局新变量。

对经纬智汇客户的行动建议（详见第 7 章）：油气与能源企业宜采取"应用先行、材料布局、生态卡位"三步走——优先在天然气处理、油田 CO₂-EOR 等高浓度场景试点 MOF 固态捕集（投资回报清晰）；中长期通过参股/合作绑定头部材料供应商或国内量产企业，规避 IP 与供应链风险；同时关注 DAC 与负碳赛道的期权价值。

01 · 调研背景与目标

1.1 调研缘起

全球碳中和进程进入"深水区"。国际能源署（IEA）与政府间气候变化专门委员会（IPCC）均认定，碳捕集、利用与封存（CCUS）是钢铁、水泥、化工、油气等"难减排"行业实现深度脱碳不可或缺的技术组合。然而，长期以来 CCUS 大规模推广的最大障碍并非"能不能捕"，而是"贵不贵、值不值"——以液相胺法为代表的传统捕集技术，其高昂的再生能耗与运营成本，使大量项目在没有补贴的情况下难以闭合经济账。

在此背景下，固态吸附材料因其潜在的低能耗、模块化、易放大特性受到高度关注，而金属有机框架（MOF）凭借"分子级乐高"般的可设计性，被视为最具颠覆潜力的新一代捕集材料。2021–2025 年，MOF 碳捕集接连发生标志性事件——CALF-20 工业示范、BASF 商业量产、Svante 千兆工厂投运、MOF 斩获诺贝尔化学奖——技术成熟度（TRL）实现跨越式抬升，行业由"概念验证"迈入"准商业化"阶段。

对于深耕油气与能源领域的企业而言，CCUS 既是合规刚需，也是战略机遇。MOF 技术的快速演进，直接关系到企业碳捕集项目的技术选型、成本测算与投资决策。本报告应运而生，旨在为客户厘清这一前沿技术的全貌与产业脉络。

1.2 核心调研问题

本报告围绕以下关键问题展开：

• 技术机理：MOF 如何实现 CO₂ 的高效选择性捕集？相比传统材料（沸石、活性炭）和液相胺法，其核心优势与原理基础是什么？
• 材料体系：当前主流的 MOF 捕集材料有哪些？性能指标如何横向对比？哪些已具备工业化条件？
• 工程落地：从粉体材料到工业装置，MOF 捕集需要跨越哪些工程门槛？典型工艺路线（PSA/TSA/VPSA）如何选择？
• 市场格局：全球及中国 MOF 碳捕集市场规模与增长趋势如何？产业链价值如何分布？
• 竞争态势：头部玩家的技术路线、商业模式与竞争策略是什么？中国企业处于什么位置？
• 专利壁垒：核心材料（尤其 CALF-20）的知识产权格局如何？后来者的自由实施空间（FTO）有多大？
• 风险瓶颈：制约 MOF 大规模商业化的核心技术与市场风险是什么？
• 趋势研判：未来 3–5 年技术与市场将如何演进？企业应如何布局？

1.3 调研范围界定

• 技术范围：聚焦 MOF 类固态吸附材料用于 CO₂ 捕集（点源捕集为主，兼顾直接空气捕集 DAC），涵盖物理吸附型与化学吸附（胺功能化）型两大技术路线；适度延伸至 MOF 混合基质膜分离。
• 地域范围：全球视野，重点覆盖加拿大、美国、欧洲、中国四大创新与产业高地，进行国际对比。
• 时间范围：全时间轴梳理（1990s 概念起源 → 2010s 材料突破 → 2021–2025 工业化 → 未来展望）。
• 应用场景：以油气、水泥、钢铁、电厂、天然气处理、DAC 等高排放/高价值场景为主。

1.4 调研方法说明

本报告采用"多源交叉验证 + 定性定量结合"的方法论：信息来源涵盖《Science》《Nature》等顶级期刊论文、IDTechEx/MarketsandMarkets/Global Market Insights/SNS Insider 等市场研究机构报告、Svante/BASF/Baker Hughes 等企业公开披露、Global CCS Institute 行业白皮书、专利数据库及权威财经与科技媒体报道。所有关键数据均标注来源机构与年份；对存在口径差异的市场数据，采取多机构并列呈现、不强行统一的审慎处理。图表以详细占位符或直接成表方式呈现。

02 · 技术现状全景

2.1 MOF 的定义与核心原理（基础版）

金属有机框架（MOF）是由金属离子或金属簇（节点/SBU）与有机配体（连接子/linker）通过配位键周期性连接而成的晶态多孔配位聚合物。可以把它想象成一套"分子级乐高"：金属节点是连接件，有机配体是支撑杆，两者拼搭出三维网状骨架，骨架内部布满规整的纳米级孔道。

MOF 用于 CO₂ 捕集的根本优势在于三个"可调"：

• 比表面积超高且可调：MOF 内部表面积可达每克数千平方米（部分材料如 NU-1501-Al 超过 7,000 m²/g），意味着单位质量材料能提供海量的气体吸附位点；
• 孔径精确可调：通过更换配体长度可"拉伸"孔道（如将 MOF-74 扩展为 Mg₂(dobpdc)，孔径从 ~11 Å 增至 ~18.4 Å），实现对 CO₂ 分子的尺寸筛分；
• 表面化学可功能化：可在孔道内壁引入开放金属位点、胺基等官能团，定向增强与 CO₂ 的亲和力。

CO₂ 在 MOF 中的两类吸附机理：

• 物理吸附（Physisorption）：依靠范德华力、孔道限域效应及 CO₂ 与骨架间的弱静电作用。特点是吸附热较低（通常 20–50 kJ/mol）、再生能耗小、循环可逆性好，但在低 CO₂ 分压（如烟气、空气）下容量受限。代表材料：CALF-20、HKUST-1、ZIF 系列。
• 化学吸附（Chemisorption，胺功能化）：在孔道内嫁接胺基，CO₂ 与胺发生类似液相胺法的化学反应（生成氨基甲酸酯/氨基甲酸），吸附热高（70–90 kJ/mol）、在低分压下容量大、选择性极高，但再生温度更高、长期热稳定性是挑战。代表材料：mmen-Mg₂(dobpdc)（伯克利体系）、各类胺改性 MOF-74。

2.2 关键 MOF 材料体系与性能横向对比

经过二十余年发展，用于 CO₂ 捕集的 MOF 已形成若干明星材料体系。下表对核心材料的关键性能进行横向对比（数据来自公开学术文献，测试条件已标注）：

表 2-1：主流 CO₂ 捕集 MOF 材料性能对比

解读：物理吸附型（CALF-20）胜在水稳定性与成本，适合高浓度点源烟气；胺功能化型（mmen-Mg₂(dobpdc)）胜在超高选择性与低分压容量，是 DAC 的有力候选。CALF-20 的工业化突破不在于其吸附容量是材料之最，而在于其在真实含水烟气环境下"既稳又便宜"——这正是大规模工程应用的胜负手。 学术研究中追求的极致容量（如某些胺改性材料）若不能解决水稳定性与成型问题，则难以落地。

!图 2-1 主流 MOF 材料四维雷达对比图 *图 2-1：主流 MOF 材料四维雷达对比图*

2.3 CALF-20：工业化标杆的深度解构

CALF-20（Calgary Framework 20，分子式 [Zn₂(1,2,4-triazolate)₂(oxalate)]）是当前唯一实现规模工业化的 CO₂ 捕集 MOF，值得单独剖析：

• 结构特征：锌基 MOF，由三唑配体与草酸根构成。约 38% 的体积为孔道，每克具有 528 m² 的孔道比表面积。
• 核心卖点——水稳定与水排斥：传统高性能 MOF（如 Mg-MOF-74）遇水即结构坍塌，而 CALF-20 在含水蒸气、酸性气体的真实工业烟气环境下仍能保持稳定的 CO₂ 负载，且对水有"排斥"特性（优先吸附 CO₂ 而非水），这是其能进入真实工厂的决定性优势。
• 蒸汽稳定性（Steam Stability）：Svante 工艺直接用低压蒸汽吹扫再生（steam stripping，被称为该领域的"圣杯"），CALF-20 的耐蒸汽特性与该工艺完美契合。
• 低成本可合成：Shimizu 团队发现了在常温常压下合成 CALF-20 的方法（绿色化学路线），这对需要兆吨级材料的规模化部署至关重要。BASF 已实现 2.5 吨/批次的放大。
• 工业示范履历：自 2021 年 1 月起，CALF-20 即在加拿大 Lafarge-Holcim 水泥厂进行 1 吨/天 CO₂ 捕集的工业试验，是世界上第一个工业示范的 MOF 材料。

2.4 发展脉络与成熟度评估（全时间轴）

!图 2-2 MOF 碳捕集技术演进时间轴 *图 2-2：MOF 碳捕集技术演进时间轴*

成熟度综合评估：MOF 碳捕集整体已从"实验室"跨入"准商业化"阶段，但内部分化明显——点源捕集（以 CALF-20/Svante 为代表）已达 TRL 8–9，进入首批商业化部署；DAC 应用（Mosaic、AspiraDAC 等）多处于 TRL 6–7 的中试/示范阶段；新型胺功能化材料与膜分离路线则多在 TRL 4–6。

2.5 国内外整体发展现状

• 加拿大：凭借 CALF-20（卡尔加里大学）+ Svante 的"材料-工程"协同，成为全球点源 MOF 捕集的策源地与产业化高地。
• 美国：伯克利系（Long 团队 → Mosaic Materials → Baker Hughes）在胺功能化 MOF 与 DAC 方向领先；DOE 于 2023 年设立 3,000 万美元专项支持 MOF 捕集技术放大；ExxonMobil、Air Products 等巨头深度介入。
• 欧洲：德国 BASF 掌控全球 MOF 商业化量产能力（市占约 24%）；英国 Nuada（真空变压吸附）、Immaterial、瑞士 UniSieve（MOF 膜）等创新企业活跃。
• 中国：科研端，中科院大连化物所（DICP，与 PETRONAS 合作）、浙江大学、上海交大、北京工业大学、苏州实验室等团队成果丰硕，论文数量全球领先；产业端，珠海碳语新材（非溶剂法量产，全球第二梯队）、岳阳兴长（国内唯一百吨级量产）、广东等地已形成产业雏形，新疆油田落地应用。