Nat Commun: 多孔有机材料

雨辰

2020-10-06

多孔有机材料具有不同的组成和可调节的孔大小，这使得在分离、过滤、储存、催化和药物输送等方面的广泛应用成为可能。根据国际纯粹与应用化学联合会的定义，多孔有机材料中的孔分为微孔（<2 nm），介孔（2-50 nm）和大孔（> 50 nm）。多孔有机材料在多个长度尺度内具有分层的孔通常是有益的。这些孔隙的尺寸排斥性，以及分子与孔隙表面的物理和化学相互作用，为多孔有机材料提供了可调的渗透性和选择性，这对其应用至关重要。

有鉴于此，弗吉尼亚理工大学Guoliang Liu教授等人，讨论了多孔有机材料的多孔结构，表面性质和性能的关键问题，还对新兴机会，新应用和数据科学辅助材料发现提出了展望。

本文要点

1）精确调控结构，性质和功能。多孔有机材料的应用在很大程度上取决于它们的结构，性质和功能。控制多孔有机材料的结构性质功能始于有机分子的精确合成，因为分子结构决定了加工方法（包括自组装），结构，性质和最终功能。最重要的结构因素是孔径。孔径与表面积和孔体积相关，并且最终影响功能，例如基于尺寸的渗透性和对客体的选择性。大孔尺寸的控制相对简单，并且已经通过硬模板和其他技术来实现。同样，介孔的大小可以使用软模板进行调整。值得注意的是，在过去的几十年中，嵌段共聚物的蓬勃发展使得能够通过分子自组装和定向组装在分子水平上很好地控制介孔的大小和顺序。然而，控制有机聚合物的微孔大小仍然是一项挑战。一种例外是具有固有的窄孔径分布的有机骨架。已经开发了控制有机分子的结构，构型和构象的机制，在控制多孔聚合物的微孔尺寸方面取得了一些成功。除了孔之间的相互连接性之外，降低结构的曲折度仍然是多孔膜跨膜转运客体分子的另一个巨大挑战。

2）在众多性质中，界面性质主要由表面官能团决定，决定着对液体的润湿性、与分子的结合亲和性，因此也决定着分子渗透性和吸附选择性的功能。因此，调整表面功能对于优化多孔有机材料在分离、气体储存和生物应用方面的性能至关重要。例如，在气体分离膜中，修饰有官能团的孔表面可以选择性地与某些气体相互作用。可以在构建多孔基质的分子嵌段中设计表面官能团。在某种程度上，这些官能团是有机基质所固有的。或者，可以通过后处理引入表面官能团，即用部分官能化多孔有机材料以修饰表面化学性质。在受控的时间，温度和压力条件下进行化学修饰，可以向多孔有机材料中添加官能团；但是，在使用热退火等方法对多孔有机材料进行后处理时，必须谨慎行事。聚合物具有特定的热稳定性和工作温度范围，在超出适当范围的温度下处理它们会不可逆地改变其分子结构甚至降解它们。

3）新兴机会和应用。由于对结构、性质和功能的精确控制，多孔有机材料在分离、过滤和储存方面得到了很大的应用，在接下来的几十年里，应用还将进一步扩大。虽然多孔有机材料用途广泛，但它们在极端条件下的适用性仍然有限，例如在极高或极低的温度、极高的张力和暴露在与太空探索有关的高能辐射下。开发新型多孔有机材料，特别是具有良好的热稳定性、机械强度和加工性能的多孔有机材料，对多孔有机材料的未来研究提出了挑战。多孔有机材料的一项突破是多孔有机骨架，包括共价有机骨架（COF）和金属有机骨架（MOF）。COF和MOF都有不同的有机组成部分。可以预见未来的有机多孔材料将用作安全耐用的电池隔膜，可实现出色反应物扩散和产物选择性的催化剂载体，以及具有出色选择性和渗透性的气体分离膜。高度受控的结构使系统的力学研究成为可能。具有均匀孔径或不同功能的多孔有机材料可最大程度地减少变量数量，并简化用于计算仿真的模型。缺乏具有均匀孔和均一官能团的多孔有机材料阻碍了模拟的实验验证。具有高度均匀的孔径和功能的导电多孔有机骨架是新兴的电化学材料，可以潜在地进行这种机理研究。

4）通过计算和数据科学进行新兴材料开发。诸如分子模拟之类的计算工具一直是推动多孔有机材料发展不可或缺的工具。机器学习和数据科学等新兴方法对加速新型多孔有机材料的发现，设计，合成，处理和评估具有强大的作用。机器学习和数据科学可以帮助收集和分析各种材料指标的巨大组合，包括成分，形态，孔径/体积和表面化学，可以帮助识别具有最理想特性的多孔有机材料，可以帮助实验筛选可能的合成路线，并提出最经济实惠和最有效的方法。

参考文献：

Liu, T., Liu, G. Porous organic materials offer vast future opportunities. Nat Commun 11, 4984 (2020).

DOI: 10.1038/s41467-020-15911-8

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15911-8