赵东元院士/马玉柱团队ACS nano综述：多孔材料的孔隙工程：效应及应用
纳米人
2024-08-21
多孔材料由于其可控的孔径、高比表面积和可调节的空间功能，已经演变为具有微环境效应和多功能的跨尺度结构，并在催化、能源存储和生物医学领域获得了广泛关注。从最初的纳米孔演变到多尺度孔-腔设计，如核壳结构、多壳层结构以及不对称结构（如瓶状、多腔和分支结构），这些材料展现了巨大的应用潜力。为了实现多孔结构的界面工程，研究者们开发了多种合成策略。这些策略包括基于液-液或液-固界面“模板化”的自下而上方法，以及针对不同交联度聚合物的化学剪裁的自上而下方法。此外，利用奥斯瓦尔德熟化、柯肯达尔效应或原子扩散与重排的方法进行界面转化，也是实现复杂多孔结构的一种有效途径。通过这些技术，可以使多孔材料具备多种微环境效应，例如孔径效应、孔富集效应、孔分离和协同效应以及孔局域场增强效应，从而显著提升这些材料在具体应用中的性能。 基于此，内蒙古/复旦大学赵东元院士和内蒙古大学马玉柱研究员详细综述了自下而上和自上而下两类界面导向的合成方法，以及这些方法在构建先进结构和微环境效应中的应用。接着回顾了多孔结构在催化、能源存储、电化学转化和生物医学领域的最新进展，特别是这些结构的协同效应与结构-性能关系。最后分析了当前多孔工程在多孔材料的可控合成和功能化方面所面临的挑战，并展望了未来的发展方向。
1.多孔材料的结构已从传统的单一纳米孔逐步演变为具有复杂多尺度孔腔结构的先进体系（核壳、多壳层、不对称形态如瓶状、多腔和分支结构等）。这种演变不仅体现在结构复杂性，还包括功能的多样化，如形状选择性催化、级联催化、质量传输优化、选择性药物负载与释放，以及反应动力学调控。这种跨尺度结构所带来的独特微环境效应和功能集成，极大地扩展了其在催化、能源存储和生物医学等领域的应用边界。2.文章系统总结了自下而上和自上而下的合成策略，包括液-液、液-固界面模板方法以及化学剪裁和界面转化技术，如奥斯瓦尔德熟化、柯肯达尔效应和原子扩散重排。这些策略允许对孔结构、表面性质和异质性进行精准调控，从而构建出具有多功能的多孔材料，能够适应多样化的应用需求。3.综述深入探讨了多孔材料的微环境效应对化学反应的深远影响。通过分析孔径效应、孔富集效应、孔隔离与协同效应，以及孔局域场增强效应，文章揭示了这些效应如何通过精细调控反应物的物理化学性质和活性位点的微环境，大幅提升催化反应的选择性和耐久性。例如，孔径效应通过分子筛选择性优化反应动力学，孔富集效应通过提高活性位点附近的反应物浓度，加速了反应进程。此外，孔隔离与协同效应通过空间分隔和优化不同催化环境，极大地提高了反应产率和选择性，而孔局域场增强效应则通过调控纳米腔体内外的电子效应，进一步提升了金属纳米颗粒的催化活性 4.围绕多孔材料的微环境效应及结构-性能之间的潜在联系，总结讨论了功能多孔材料在催化、电化学转化、能源储存和生物医学等方面的具体应用。 5.尽管多孔工程在结构设计与功能优化方面取得了显著进展，未来研究仍需进一步探索材料的动态可调性与智能化设计，尤其是在多孔材料的结构优化、单元功能精确调控、原位动态表征技术的开发，以及在量子计算、人工光合作用和神经科学等新兴领域的应用扩展方面面临的挑战。针对这些问题的研究将推动多孔材料向更高效、更智能、更具适应性的方向发展，从而在广泛的跨学科应用中发挥更大的作用。 基于自下而上和自上而下两类界面导向多孔工程方法构建功能多孔材料相关论文发表在 ACS nano 上，内蒙古大学博士研究生王爱霞为文章的第一作者，赵东元院士和马玉柱研究员为共同通讯作者。
马玉柱研究员，内蒙古大学能源材料化学研究院，研究员，骏马计划B1 岗引进人才，博士生导师，赵东元院士团队成员。博士毕业于复旦大学，主要从事新型功能介孔材料的设计，尤其是多腔不对称介孔复合材料的可控制备及其在串联催化、储能等领域的应用-构效关系研究工作，在Nat. Synth., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., JACS, Adv. Funct. Mater., Nano Lett.等期刊上发表论文 20 余篇。主持国家自然科学基金面上项目，内蒙古自治区青年科技人才称号，内蒙古自治区青年科学基金，企业横向课题等。邮箱：yzma@imu.edu.cn.
赵东元院士，中国科学院院士、第三世界科学院院士。主要从事介孔材料的可控合成及催化、能源、环境、生物应用研究，发展合成了19种复旦大学命名的介孔材料及系列新组分、结构的有序介孔材料，提出了一系列合成新方法体系，取得了国际公认的开创性成果，发表SCI论文800余篇，包括Science, Nature, Nat. Mater., Nat. Chem., JACS, Angew, Adv. Mater等顶级期刊，被引12万余次。获国家自然科学一等奖、国家自然科学二等奖、何梁何利科学进步奖、中国化学会-化学贡献奖、中国分子筛成就奖等国内外重要奖项，任国际介观材料协会主席、ACS Central Science执行编辑、National Science Review副主编等。现任复旦大学化学与材料学院院长，复旦大学党委常委、统战部部长，内蒙古大学能源材料化学研究院院长。邮箱：dyzhao@fudan.edu.cn。
