多孔材料研究进展汇总.

多孔材料研究进展1前沿根据国际纯粹化学与应用化学联合会的规定 1, 由孔径的大小, 把孔分为三类:微孔 (孔径小于 2nm 、介孔(2~50nm 、大孔(孔径大于 50nm ,如图 1所示。

同时,孔具有各种各样的类型(pore type和形状(pore shape ,分别如图 2, 3所示。

在一个真实的多孔材料中, 可能存在着一类, 两类甚至三类孔了。

在这片概述中, 我们把多孔材料 (porous materials 分为微孔材料 (microporous materials、介孔材料 (mesoporous materials、大孔材料 (macroporous materials ,将分别对其经典例子、合成方法,及其应用予以讨论。

Figure 1 pore size Figure 2 Pore typeFigure 3 Pore shape2 多孔材料2.1 微孔材料 (microporous materials典型的微孔材料是以沸石分子筛为代表的。

在这里我们要举金属 -有机框架化合物 MOFs (metal-organic frameworks 的例子来给予介绍。

MOF-52是这类材料中的杰出代表, 是 Yaghi 小组在 1999年最先合成出来的。

以 Zn (NO 3 2·6H 2O 和对苯二甲酸为原料,通过溶剂热法合成了非常稳定(300℃,在空气中加热 24小时,晶体结构和外形保持不变、具有很高孔隙率(0.61-0.54 cm3 cm-3 、密度很小(0.59gcm 3的多孔材料 MOF-5。

如图 4所示分别是 MOF-5的结构单元及其拓扑结构。

在MOF-5中, Zn 4(O(BDC3构成了次级构筑单元 SBU(second building unit, SBU通过苯环形成了无限三位孔道结构,如图 Figure 5 所示。

MOF-5是这一领域研究最多的典型例子之一,其合成方法也多种多样, 2008年时 Yaghi 小组又提出了室温下合成MOF-5的方法 3,如图 Figure 6 所示。

多孔石墨烯材料的研究进展摘要：多孔石墨烯材料同时结合了石墨烯和多孔材料的优点，具有独特的二维结构及优异的理化性质，是一种具备巨大应用潜力的新型纳米碳质材料。

然而单一的石墨烯材料很难充分满足各个领域的应用需求，且石墨烯片层容易堆叠和团聚，制约了其实际应用的发展。

通过掺杂、改性、组装和复合等手段制备石墨烯衍生物及石墨烯纳米复合物等石墨烯基材料可以丰富并优化石墨烯的性质，拓展并提升石墨烯的性能，对于促进石墨烯的实际应用具有重大意义。

作为一种新型石墨烯衍生物，多孔石墨烯以其二维片状结构、超高比表面积、开放的能带间隙、丰富的活性位点等特性吸引了研究者的很大关注。

关键词：石墨烯；杂化；石墨烯衍生物引言如果以化学家的视角将人类和世界写成一本书，碳元素必将会跻身关键词之列：从碳基生命到无机碳素，从史前壁画到太空天梯，从钻木取火到蒸汽革命，再从笔墨纸砚书酒花到柴米油糖酱醋茶，碳的身影无处不在，不可替代。

作为世界上最为普遍和奇妙的元素，碳变化多端的魅力归因于其电子轨道杂化方式的多样性及其特殊的成键能力和成键方式。

碳原子含有四个价电子，往往以sp，sp2和sp3等杂化形式构成具有不同性质的单质或化合物。

以碳单质为例，碳元素存在多种结构、性质迥异的同素异形体。

其中sp杂化形式的卡宾碳异常活泼，不易单独稳定存在；sp3杂化的金刚石稳定、超硬、价高，化学修饰较困难；sp2杂化的石墨、石墨烯化学修饰较易且具有独特的电子共轭体系，此外还存在杂化形式介于sp2杂化和sp3杂化之间的富勒烯及包含多种杂化形式碳原子的无定形碳等等。

碳家族的众多成员极大丰富了碳质材料的性质，为其在各领域的广泛应用奠定了基础[1]。

1石墨烯及石墨烯基材料石墨烯即单层或少层石墨薄片，是sp2杂化碳原子按照蜂窝状六元环结构排列而成的二维平面网络结构。

2004年，曼彻斯特大学的Novoselov和Geim教授研究组利用机械剥离法成功得到独立存在的单原子层石墨烯，两位物理学家因这一开创性的发现在2010年共同获得诺贝尔物理学奖。

多孔碳材料最近研究进展多孔碳材料最近研究进展1、碳源/方法[1]Gao等人利用海苔为生物质原料，在500℃下碳化，之后利用铝酸钠作为活化剂，在500-900℃下反应，最后盐酸和水洗得到了孔径分布集中在1nm和2nm的微孔-介孔碳材料，该材料BET比表面积和孔体积分别为1374.3m2/g和1.150cm3/g。

以酸性大红作为吸附质，对合成介孔碳进行吸附研究，根据朗格缪尔模型，介孔碳对酸性大红的饱和吸附量达1000mg/g。

(Yuan Gao, et al. Chemical Engineering Journal,274(2015)76-83)[2] Akshay Jain等人以洋姜杆作为生物质原料，利用ZnCl2活化法，制备碳材料，在制备过程中加入H2O2，H2O的加入能够使得材料介孔性增强，并通过调节ZnCl2和H2O2的添加比例，得到了孔径集中在20-50nm 的双介孔活性炭，该碳材料对水中罗丹明B的饱和吸附量达714mg/g。

(Akshay Jain, et al. Chemical Engineering Journal,2015,273:622-629)[3]Yang等人利用柠檬酸钙在高温700-1000℃下，分解生成碳酸钙、氧化钙和具有介孔结构的碳材料。

把钙溶解在盐酸中形成可回收的氯化钙溶液，该溶液先与氢氧化钠反应，然后加入柠檬酸形成可回收的柠檬酸钙，从而实现钙模板的回收利用。

该方法在得到性能较好的介孔碳材料时，避免了二氧化硅等模板脱除造成的化学资源浪费和可能带来的严重环境问题，是一种合成介孔碳材料的绿色新方法。

(Yang J, et al. Microporous Mesoprous Mater.,2014,183(1):91-98)[4]Feng等人以壳聚糖溶液为原料、三嵌段两亲共聚物F127 为软模板，采用一步法合成多孔碳材料，考察了复配溶液pH 值及碳化温度等条件对材料孔结构、比表面积等的影响。

多孔材料用于催化剂载体的研究进展多孔材料作为催化剂载体在催化领域中扮演着不可或缺的角色。

它们能够提供较大的比表面积、更好的环境可控性和更高的催化活性，因此备受研究者们的关注。

本文将对多孔材料用于催化剂载体的研究进展进行探讨。

1. 介绍多孔材料的定义和特点多孔材料是指具有一定孔隙结构的材料，其孔隙大小通常在纳米尺度范围内。

与传统催化剂载体相比，多孔材料具有较大的比表面积和更均匀的孔隙分布。

这些孔隙可以提供更多的活性位点，并且能够提高催化反应的质量传递效率。

因此，多孔材料在催化剂的设计和应用上具有广阔的前景。

2. 不同类型的多孔材料及其在催化剂载体中的应用2.1 介孔材料介孔材料具有孔径在2-50 nm之间的孔隙。

常见的介孔材料包括硅胶、氧化铝和硅酸盐等。

这些材料在催化剂载体中的应用广泛，可以用于吸附和催化反应。

例如，将金属催化剂负载在介孔材料上可以提高催化剂的负载量和活性。

2.2 纳米孔材料纳米孔材料具有孔径小于2 nm的孔隙。

常见的纳米孔材料包括纳米碳管和金属有机骨架材料等。

这些材料通常具有良好的化学稳定性和可调控的孔隙结构，可用于催化剂的精确调控和纳米级催化反应。

例如，纳米碳管可以作为载体载入催化剂，并通过调控孔隙结构来提高催化反应的选择性。

2.3 多孔金属材料多孔金属材料是指具有金属骨架结构和孔隙的材料。

常见的多孔金属材料包括金属有机骨架材料和金属氧化物等。

这些材料具有高的导电性和较好的机械性能，可用于催化剂在电化学催化和催化剂材料的制备中。

3. 多孔材料在不同催化反应中的应用3.1 催化剂负载催化剂负载是指将催化剂负载到多孔材料上，以提高催化活性和稳定性。

多孔材料具有较大的比表面积和更好的孔隙结构，可以提供更多的可活化位点和增加反应物的吸附量，从而提高催化剂的催化效果。

3.2 反应物分子筛选多孔材料的孔隙结构可用于筛选不同大小和形状的分子。

通过调节多孔材料的孔隙大小和结构，可以选择性地吸附和催化不同大小的反应物分子，从而实现对催化反应的精确控制。

目前合成多孔炭材料的研究进展这篇文章对过去十年有关多孔炭的合成进展进行了总结。

采用不同路线，多孔炭可以具有不同的孔尺寸和孔结构。

通过活性过程已经合成了微孔活性炭。

有序微孔炭材料多孔炭主要用于气体分离、水纯化、催化剂载体、电化学双极板电容器电极材料、燃料电池。

多孔炭分为：＜2nm微孔，2nm＜介孔＜50nm，宏孔＞50nm。

传统制备多孔炭的方法有：1）化学活化、物理活化、化学物理活化；2）使用金属盐或有机金属化合物催化活化炭前驱体；含碳聚合物和可裂解聚合物的碳化；3）在超临界干燥条件下合成的聚合物气凝胶的碳化。

尽管采用上述方法合成了多种多孔炭，但多孔炭的均匀性还需要进一步改进。

过去十年，很多硬的、可设计的无机模板用来合成具有均匀孔尺寸的炭材料。

Knox和他的合作者首创了采用模板合成多孔炭的先河，从此以后，采用无机模板合成了具有微孔、介孔和宏孔的孔结构均匀的多孔炭。

模板合成多孔炭一般包括：1）制备炭前驱体/无机模板复合材料，2）碳化，3）移去无机模板。

目前已经不同无机材料作为模板材料，包括SiO2纳米颗粒，沸石类，多孔氧化铝膜，介孔二氧化硅。

大致的说，模板法一般分为两类。

首先，无机模板，如氧化硅纳米颗粒嵌入到炭前驱体内。

随后碳化，移去无机模板，产生独立的孔结构。

另一种是，炭先驱体引入模板孔内，碳化，移去模板，产生联通孔结构。

本文主要研究模板法合成多孔炭。

2.微孔炭2.1 无序微孔炭（分子筛炭）（MSCs）以煤或有机化合物为原料加工制成的孔径为分子级的多孔含碳物质。

分子筛炭是一类特殊的活性炭，其拥有几埃直径的均匀孔结构，已广泛用于分离气体分子，形状选择催化剂、电化学双极板电容器电极材料。

由于其疏水性和抗腐蚀性，MSCs可用于无机分子筛分。

MSCs最有代表性的制备方法是适当炭前驱体的裂解。

Miura et al.采用煤和有机添加剂裂解制备了MSCs。

添加有机添加剂可获得不同于只有煤存在的孔结构。

改变试验条件，可以改变孔尺寸。

多孔材料的研究进展多孔材料是指具有一定孔隙结构的材料，其中孔隙具有不同的大小和形状。

这些材料非常重要，因为它们在许多行业中都有广泛的应用，例如吸附、催化、分离、传感、生物医学和能源。

本文将介绍多孔材料的研究进展。

一、多孔材料分类存在许多分类多孔材料的方法，其中最常见的方法是按照它们产生的方式划分。

1. 石墨烯氧化物石墨烯氧化物（GO）是一种具有丰富氧含量的碳材料，除了非常窄的孔隙，GO还具有大量的表面官能团。

由于其优异的化学特性和表面性质，GO被广泛用于生物医学、传感、吸附、分离等领域。

2. 金属有机骨架金属有机骨架（MOF）是一类由金属离子和有机配体组成的晶体材料，它具有非常高的比表面积、可调控的孔隙大小和形状以及独特的化学和物理性质。

MOF被广泛应用于吸附、催化、分离、传感、电子和能源等领域。

3. 介孔材料介孔材料是具有孔径大于2纳米低于50纳米的材料，具有与微米尺度结构类似的高表面积和离散的微孔结构，这使得它们在许多领域能够发挥重要的作用，例如生物医学、吸附、分离、传感和能源。

二、多孔材料在吸附中的应用多孔材料在吸附方面的应用因其高表面积和可调控的孔隙结构而备受关注。

吸附是将气体或液体分子吸附到材料表面的过程。

制备多孔吸附剂的目标是获得高吸附容量和选择性。

1. 分子筛分子筛是一种介孔材料，具有网络结构和各种孔隙尺寸，可用于高效分离和处理气体、水和液态混合物。

分子筛通常是由硅酸盐或铝酸盐等无机化学物质制成的，其孔径可以控制在2-50纳米之间。

2. 金属有机骨架MOF在气体吸附和分离方面具有潜在的应用。

这些材料通过晶格控制孔径和孔隙配位，从而使其性能具有高度的可调性。

MOF 在指示剂、传感、药物分离等领域也有应用。

三、多孔材料在催化中的应用催化是指利用催化剂促进反应速度的过程。

多孔材料的高比表面积和可控孔隙结构使其具有出色的催化效果。

多孔材料在催化反应方面的应用非常广泛，例如催化剂载体和催化剂本身。

多孔材料的研究进展多孔材料是一类具有许多孔隙结构的材料，其孔隙大小、形状和分布可以通过制备方法进行调控。

由于其独特的结构和性能，多孔材料在许多领域中具有广泛的应用前景，如能源存储、环境治理、催化剂、吸附剂等。

在过去的几十年中，多孔材料的研究取得了令人瞩目的进展。

首先是多孔材料的制备方法的改进。

传统的多孔材料制备方法包括模板法、溶胶-凝胶法、气溶胶法等，但这些方法有一定的局限性，如制备过程复杂、成本高等。

近年来，一些新的制备方法被提出，为多孔材料的制备提供了新的思路。

例如，近几年催化剂领域使用的溶胶凝胶法、杂化材料的研究中使用的水热法等。

这些新的制备方法能够快速、简单地制备出多孔材料，并且可以控制其孔结构的大小和形状。

其次是多孔材料的结构优化。

传统的多孔材料具有均匀的球状孔结构，其比表面积和孔容量有限。

为了提高多孔材料的性能，研究人员开始关注非球状孔结构的多孔材料。

例如，研究人员通过调控制备条件和添加特定的添加剂，制备出了片状、纤维状等非球状孔结构的多孔材料。

这些非球状孔结构的多孔材料具有更高的比表面积和更大的孔容量，有望在能源存储和吸附分离等领域发挥更好的性能。

第三是多孔材料的功能化。

为了进一步提高多孔材料的性能，研究人员开始将其功能化。

例如，改性多孔材料可以通过在孔结构中引入各种功能性基团或添加剂来赋予其特定的性能，如可控释放、光催化等。

此外，研究人员还利用多孔材料的优异吸附性能，将其应用于污水处理和废气处理等环境治理领域。

通过对多孔材料进行功能化，可以进一步扩展其应用范围，并提高其在各个领域的性能。

最后是多孔材料的应用拓展。

多孔材料在能源存储和催化剂领域具有广泛的应用前景。

例如，多孔材料可以用作锂离子电池、超级电容器和燃料电池等能源存储器件的电极材料，其高比表面积和孔结构可以提高能量密度和电荷传输速度。

此外，多孔材料在催化剂领域也具有广泛的应用前景，可以用于催化剂载体、催化剂支撑材料等方面。

多孔结构材料的制备与性能研究近年来，多孔结构材料成为了材料研究的热点之一，其在能源、环境、生物等方面的应用中具有广泛的潜力。

本文将从制备和性能两方面探讨多孔结构材料的研究现状与展望。

制备技术多孔结构材料的制备方法多样，如高分子发泡、化学发泡、凝胶法、溶胀法、电化学方法等，其中化学发泡和凝胶法应用较为广泛。

化学发泡法是通过化学反应产生气体，使体系发生膨胀，形成孔洞。

该方法具有成本低、适用范围广等优点。

凝胶法则是将溶液中的凝胶体系速冻并置于真空中静置脱水干燥，最终得到具有孔洞的凝胶。

该方法制备出的多孔材料较为均匀，但成本较高。

近年来，人们通过改进制备方法，如模板法、结晶辅助法等，并结合物理、化学、生物、医学等多领域知识，使各种多孔结构材料的制备方法更加丰富多样，制备的多孔材料微观结构和宏观形貌得到了良好的控制，其性能也随之得到了提高。

性能研究多孔结构材料的性能主要包括物理、化学、机械、传热传质等方面，下面进行一一阐述。

1.物理性质多孔结构材料中孔隙率对其物理性质具有重要影响。

研究表明，孔隙率变化对材料密度、强度、模量等物理性质有明显的影响。

在人造多孔材料中，随着孔洞大小的增加，其吸声性能也将有所提升。

除此之外，多孔材料表面的表征也十分重要，如表面积、孔径分布、孔隙网络等，这些因素对材料性能、反应和吸附行为、晶体生长等具有直接的影响。

2.化学性质多孔结构材料的表面化学性质决定了其在吸附、分离、催化等应用方面的性能。

分子在材料孔洞表面的吸附和空间位阻对其响应速率、选择性、批处理效率及使用寿命等也有重要影响。

这些性质的调控可以通过控制材料的表面化学状态或选择材料表面的化学改性剂实现。

3.机械性能力学性能是材料功能实现的基础。

多孔材料的结构变形特性与孔隙分布、孔洞大小、壁厚度和形状有很大关系。

多孔材料随着孔径增大，段断强度将随之减小。

此外，弹性模量与孔隙率成反比例关系，强度与孔隙率成线性关系。

4.传热传质性能多孔结构材料的传热特性对其在热障、储热、分子筛等领域的应用具有重要意义。

新型纳米多孔材料新型纳米多孔材料是一类具有高度有序的纳米级孔道结构的材料，这些材料通常具有高比表面积、优异的物理和化学稳定性以及可调节的孔径大小等特点。

它们在催化、吸附、分离、传感、能源存储与转换等领域展现出广泛的应用前景。

以下是几种新型纳米多孔材料的研究进展和应用方向：1.金属-有机框架材料（Metal-Organic Frameworks, MOFs）：MOFs是由金属离子和有机配体通过配位键连接而成的多孔材料，具有极高的比表面积和可设计的孔结构。

MOFs在气体存储、催化、药物输送等方面有潜在应用。

2.共价有机框架材料（Covalent Organic Frameworks, COFs）：COFs是由轻元素（如碳、氢、氧、氮等）通过共价键连接而成的多孔材料，具有稳定的骨架结构和可调的孔径。

COFs在气体分离、传感、光电材料等方面表现出良好的性能。

3.碳基纳米多孔材料：如多孔碳、碳纳米管、石墨烯等，这些材料具有良好的导电性和化学稳定性，在能源存储（如超级电容器和锂离子电池）和催化领域有广泛应用。

4.介孔硅基材料：如MCM-41、SBA-15等，这些材料具有规则排列的孔道结构，可用于催化剂载体、吸附剂和分离材料等。

5.有机无机杂化材料：这类材料结合了有机材料和无机材料的优点，具有多功能的性质，适用于催化、药物释放和光电应用。

随着材料科学和纳米技术的不断发展，新型纳米多孔材料的合成方法也在不断改进，包括溶剂热合成、微波辅助合成、模板合成等。

这些方法有助于精确控制材料的结构和性质，以满足特定的应用需求。

在未来，新型纳米多孔材料的研究将继续聚焦于提高材料的性能、降低成本、扩大规模生产和实现工业化应用。

同时，环境友好和可持续发展的材料也将成为研究的重要方向。

引言固体材料所包含的空间和表面的多少直接影响着该材料在实际应用中的性能。

具有大量的空间和表面积的固体多孔材料已经成为了当代科学研究的热点，在各式各样物理化学过程中显示出极为突出的优势。

根据孔径的大小，可以将多孔固体材料分为三类:孔径小于2nm的归为微孔材料;孔径在2-50nm之间的归为介孔材料;孔径大于50nm的归为大孔材料。

多孔材料在化工石油催化、气体吸附、药物输送、组织工程支架制备、海洋深潜装备中都有很广泛的应用，是当今时代一种很重要的材料。

1. 纳米多孔材料相比于传统的纳米颗粒材料，具有可调结构和性能的纳米多孔材料有着非凡的特性。

孔径大于50nm的大孔材料具有极快的传质过程和蛋白分子吸附固定速率，在蛋白质组学分析及酶反应研究中有巨大的潜力。

在当今组学的前沿，蛋白质的酶解严重缺乏效率，影响后续的分析测试，而目前发展的快速酶解技术需要较为复杂的前处理过程和过量的蛋白消耗;另一方面酶解技术难于联合应用于后续的肤段富集之中[1]。

因此，多孔纳米材料的功能化设计合成及其在蛋白质组学分析中的应用至关重要。

这种纳米多孔材料的典型就是大孔二氧化硅泡沫材料，它可以作为催化剂极大的提高酶解反应速率。

2. 金属-有机骨架材料[2]金属-有机骨架材料是一种新型的多孔材料，具有高孔性、比表面积大、合成方便、骨架规模大小可变以及可根据目标要求作化学修饰、结构丰富等优点，在气体吸附、催化、光电材料等领域有广泛的应用。

MOFs又名配位聚合物或杂合化合物，是利用有机配体与金属离子间的金属配体络合作用自组装形成的具有超分子微孔网络结构的类沸石材料。

MOFs由于能大量进行氢气的可逆吸附，因此被认为是最具有储氢前景的材料之一；它可以存储和运载药物，也可以用于生命科学领域。

MOFs的合成过程类似于有机物的聚合，以单一的步骤进行，其合成方法一般有扩散法和水热(溶剂热)法。

3. 仿生壳聚糖泡沫材料壳聚糖是一种极好的有机废物或金属离子去除材料。

多孔材料的结构性能研究多孔材料是指具有孔隙的材料，孔隙可以是微观的、介观的或宏观的。

它们具有比实体材料更大的表面积、更多的储存空间和更高的反应效率，因此在多个领域应用广泛，例如催化、能源存储、环境净化和生物医学等。

多孔材料的结构对其性能具有极大的影响。

本文将介绍多孔材料的结构性能研究的最新进展和未来研究方向。

一、晶体结构控制晶体结构是多孔材料性能的重要因素，因为它决定了孔隙大小、形状和连接。

晶体结构可以通过化学合成方法、反应条件和前驱体控制，包括溶胶-凝胶法、水热法、热解法、物理氧化法等。

例如，某些有机金属框架材料（MOFs）可以通过晶体生长方法制备，其表面积可以超过5000平方米/克，同时其孔隙大小和结构可以通过选择不同的有机配体控制。

此外，石墨烯氧化物材料也可以通过控制反应条件来实现微观孔隙的控制。

二、孔隙分布和形状孔隙的大小、形状和分布对多孔材料在吸附、储存和传递中起着重要作用。

因此，对于某些应用而言，孔隙分布和形状的精细调控尤为重要。

例如，在某些气体吸附的应用中，孔隙分布应在合适的大小范围内分布，这可以通过多重嵌套孔隙设计实现。

在某些固体电解质应用中，孔隙形状应具有高度连通性，这可以通过某些催化法制备。

三、表面性质表面性质是多孔材料性能的决定因素之一，它决定了材料与周围环境之间的相互作用和材料之间的传递性能。

表面性质可以通过化学修饰和功能化来调节。

例如，某些功能化表面的MOFs可以用于催化、吸附或分离应用。

同时，通过表面修饰，可以增强材料的选择性、导电性等性能。

四、应用前景多孔材料的结构控制是现代材料科学中的一个重要领域，已经得到了广泛的应用。

未来研究方向将集中在以下几个方面：1. 大规模制备：如何在大规模生产过程中实现多孔材料的复杂结构控制。

2. 稳定性：多孔材料往往具有低稳定性，因此如何在使用过程中提高多孔材料的稳定性将是未来的研究方向。

3. 应用场景：多孔材料已经应用于催化、能源存储、环境净化和生物医学等领域，未来可以进一步探索多孔材料在这些领域中的应用。

多孔碳材料的国内外发展状况
多孔碳材料是一种具有高比表面积和孔隙结构的高性能材料，近年来
在各个领域得到了广泛的应用和研究。

随着科学技术的不断进步，多孔碳材料的研究和应用也在不断拓展和深化。

首先，国外对多孔碳材料的研究起步较早，技术水平较高。

美国、欧
洲等发达国家在多孔碳材料的制备方法、性能调控等方面做出了很多开创性的工作。

其中，石墨烯和碳纳米管等材料的制备和功能化修饰技术处于世界领先地位，为多孔碳材料的研究提供了有力的支持。

其次，国内对多孔碳材料的研究也取得了一定的进展。

我国在多孔碳
材料的原料选择、制备技术、性能表征等方面均有不少创新成果。

例如，通过使用廉价丰富的天然资源作为原料，开发出了一系列高性能的多孔碳材料，具有良好的应用前景和经济效益。

另外，在多孔碳材料的应用领域，国外主要集中在能源存储、催化剂、传感器等方面。

美国、日本等国家已经将多孔碳材料成功应用于锂离子电池、超级电容器、汽车排放催化等领域，取得了显著的成效。

而国内多孔碳材料的应用主要集中在电解质、储能、环境治理等方面，尚有待进一步深化和拓展。

让我们让我们总结一下，多孔碳材料在国内外的研究和发展呈现出多
样性和丰富性。

随着时代的发展和技术的进步，多孔碳材料必将在更多领域
展现出其独特的优势和潜力，为人类社会的可持续发展和创新科技的实现作出更大的贡献。

希望国内外研究者能够加强合作，共同推动多孔碳材料的研究和应用，为构建世界科技强国贡献力量。

㊀第40卷㊀第9期2021年9月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.40㊀No.9Sep.2021收稿日期:2021-04-22㊀㊀修回日期:2021-07-15基金项目:国家自然科学基金资助项目(21971058);湖北省杰出青年科学基金项目(2020CFA085)第一作者:朱嘉君,男,1997年生,硕士研究生通讯作者:蒋选丰,男,1982年生,教授,博士生导师,Email:xuanfengjiang@DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.202104031单晶态有机聚合物多孔材料的研究进展朱嘉君,轩娅慧,蒋选丰(湖北大学材料科学与工程学院,湖北武汉,430062)摘㊀要:单晶态有机聚合物多孔材料(single crystalline porous organic polymers)是一类非共价键与共价键协同驱动的具有高结晶性和稳定性的有机聚合物多孔材料㊂这类材料因具有比表面积大㊁密度低㊁结构明确㊁孔径可调等优点,以及共价合成策略多样和多领域应用等优势而越来越受到人们的关注㊂总结了常见单晶态有机聚合物材料的几种合成策略和原理,并按照合成方法的差异分3部分系统介绍了单晶态有机聚合物多孔材料的研究现状,其中包括模块化设计组装方法和原理㊁多孔材料的结构调控和晶体生长,以及这类材料在环境污染物的检测和吸附㊁气体的分离和存储㊁光电器件㊁环境污染物传感等方面的潜在应用㊂基于此,对单晶态有机聚合物材料的精确合成和性能开发进行了展望㊂关键词:共价聚合物;单晶态;多孔材料;模块化组装中图分类号:O631.1㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2021)09-0712-10Research Progress of Single Crystalline OrganicPolymer Porous MaterialsZHU Jiajun,XUAN Yahui,JIANG Xuanfeng(School of Materials Science and Engineering,Hubei University,Wuhan 430062,China)Abstract :Single crystalline porous organic polymers are a kind of organic porous materials with high crystallinity and sta-bility driven by non-covalent bonds and covalent bonds.Such well-defined material has the advantages of large specific sur-face area,low density,tunable structure,adjustable pores and modifiable reaction sites,etc .It has attracted much attention due to its diverse synthesis strategies and wide range of applications.In this review,the synthesis strategies and principles of common single crystalline porous organic polymer materials are summarized,and the recent progress of single crystalline por-ous organic polymer materials is also introduced briefly in three parts,including modular design concepts,structural control and crystal growth of porous organic polymer materials,and their potential applications in the detection and adsorption of en-vironmental pollutants,gas separation and storage,photoelectronic and chemical sensing,etc .After that,the authors look forward to the precise synthesis and performance development of single crystalline organic polymer materials.Key words :organic polymer;single crystalline;porous material;modular assembly1㊀前㊀言100多年前,Gilbert N Lewis 在他的重要著作 原子和分子 中提出了共价键这一概念[1]㊂此后,共价键合成技术已经发展成为化学㊁化学生物学㊁材料科学等领域中重要的合成手段㊂近年来,共价有机聚合物合成策略和方法学的不断发展,使多维有机共价多孔材料的精确合成成为研究热点[2-4]㊂在微观尺度上,如果组成材料的原子不是密集地堆积在一起,而是形成空隙,这种材料被称为多孔材料[5]㊂近年来,多孔材料因其在吸附[6]㊁催化[7,8]㊁离子交换[9]㊁纳米技术和医药[10]等领域的重要应用而受到广泛关注㊂在近半个世纪里,人们设计和合成了大量的多孔材料,通常分为以下几类:无机材料(天然合成沸石(分子筛)㊁微孔磷酸盐铝㊁二氧化硅介孔材料等)㊁碳基材料㊁无机-有机杂化材料(金属-有机骨架(MOFs))[11]和多维有机聚合多孔材料(PIMs㊁COFs 和H C OFs 等等)[12-15]㊂在这些多孔材料中,含有周期性排列的有机骨架和特定共价成键位点的共价交联多孔材料称为有机博看网 . All Rights Reserved.㊀第9期朱嘉君等:单晶态有机聚合物多孔材料的研究进展多孔聚合物(POPs)[16]㊂常见的有机聚合物多孔材料可以分为非晶态和晶态两大类,晶态有机聚合物多孔材料的理化性能和化学稳定性较好,具有永久孔隙度,并且对外界刺激能呈现出动态响应㊂不仅如此,由于其具有较高的比表面积㊁孔隙度和吸附性,晶态有机聚合物多孔材料在气体存储/分离[17,18]㊁催化剂的固体载体[19]㊁化学传感和光电子器件[20]等方面有着潜在的应用价值㊂根据目前文献报道,研究者们运用模块化方法和合理的组装策略合成了以下3种不同的晶态有机聚合物多孔材料:①可逆反应驱动的晶态共价有机框架材料(COFs);②外界刺激的原位晶态有机多孔聚合物材料;③光诱导分步交联的有机多孔聚合物材料㊂通过合理地设计和合成功能有机模块分子,并采用不同的共价聚合物反应(C C和C N键偶联㊁光诱导的[2+2]环化加成㊁硫-烯和硫-炔点击反应㊁席夫碱缩合反应㊁硼酸酯缩合等反应)在不同的反应条件下共价交联成结构各异的晶态有机聚合物材料㊂本文将简要介绍3种单晶态有机多孔聚合物材料的合成策略和原理㊁代表性的合成实例以及这些材料的潜在应用领域㊂2㊀单晶态共价有机聚合物多孔材料的设计思路和原理2.1㊀单晶态共价有机框架材料(COFs)的合成与晶体生长㊀㊀单晶生长的关键因素包括:①晶核的形成;②堆积驱动力(重复单元的周期性排列);③结晶速率;④结晶的外部条件(如温度,溶剂等)㊂为了解决有机聚合物多孔材料精确合成㊁结构有序性调控和晶体生长过程中的问题,研究人员通常采用动态可逆共价键合成技术精确组装合成晶态COFs,其模块化设计原理和共价合成策略如图1a所示㊂构建二维或三维晶态有机骨架涉及到单体在空间的有序排列,因此,COFs的成功结晶需要合成过程中共价键形成具有可逆性[14,21-23],这是准确构建COFs有序结构所必须的㊂在此合成策略中,强共价键动态形成和裂解使有机单体分子的反应和堆积排列达到热力学平衡,使其空间排列有一定取向并能形成长程有序的交联框架㊂这种结构形成过程的纠错机制使晶体有序地生长,从而有利于形成具有高化学稳定性和一定尺寸的晶态有机聚合物多孔材料㊂动态可逆共价交联技术的运用使晶态COFs的精确自组装和单晶生长成为可能[24,25]㊂为了实现可逆共价交联聚合,研究者们已经将多个可逆共价反应用于模块化交联策略中,其中包括:硼酸聚合[26]㊁酰亚胺聚合[27]㊁三嗪基聚合[28]和席夫碱反应[29]㊂基于构筑单元间强共价键(B O,C N和B N)的共价聚合,研究者们通常在单体模块上修饰特殊的反应位点(基团)以满足不同的结构调控和特定性能优化需求,实现该类材料的可控组装和性能调控㊂2.2㊀原位晶态有机聚合物材料的模块化合成从目前的文献报道来看,COFs合成过程中,共价交联反应的可逆性限制了其化学稳定性,很难获得尺寸较大的单晶㊂原位晶态有机骨架的合成策略是对可逆聚合-结晶合成方式的精确优化和控制,为合成大尺寸单晶态有机聚合物多孔材料提供了一种新的思路㊂原位晶态有机多孔聚合物材料的合成策略如图1b所示,该策略可以分为2个步骤进行:第一步,设计特定的有机聚合单体作为模块分子,在范德华力㊁氢键㊁亲疏水作用力㊁π-π键堆积等作用力的驱动下实现单体的单晶生长;第二步,通过溶液扩散和气相挥发等简单的单晶生长方法成功得到具有较大尺寸(μm~mm)的晶体㊂在这些有机分子的单晶结构中,具有共价交联反应活性的基团彼此靠近并周期性有序排列,使晶体内部交联位点间的距离与共价成键有效距离(C C㊁C O)基本接近㊂接着,利用外部刺激(例如光辐射㊁加热等手段)使相邻的有机单体发生共价交联聚合,最终得到大尺寸㊁高稳定性的单晶态有机聚合物材料㊂原位共价交联的单晶到单晶的聚合物转化,使这类晶态材料结构的稳定性和有序性得到提高㊂原位交联策略的优势在于不需要加入额外的反应物和扩散交联剂,聚合方式简单,晶体尺寸可控㊂但同时,原位交联晶体的孔道形貌和尺寸很难精确调控,而且第一步得到的晶体的稳定性较低,为了保持晶体的特征与形貌,通常在第二步共价交联时采用的外加条件必须温和,这样又会导致部分交联位点未能充分反应㊂2.3㊀光诱导共价交联单晶到单晶转化晶态有机聚合物多孔材料的设计原理和结构控制㊀㊀实现精确的单晶态原位交联的关键技术在于通过分子间的弱作用(如:π π堆积等)将有机单体自组装成多维有序结构并获得高质量单晶㊂由于结晶过程本身具有一定的随机性和偶然性,因此能够用于这一原位聚合的功能单体种类非常少,能够采用的反应类型也相对较少㊂如何引入非共价键(配位键和氢键)作为自组装驱动力并精确控制具有共价交联能力的有机单体结晶行为和自组装聚集体行为,已经成为单晶态有机聚合物材料研究领域的难点㊂氢键是氢原子与一个强电负性元素(如氟㊁氧或氮)结合形成的分子间相互作用,其键能大约为4~120kJ/mol㊂在超分子体系里,多组分组装模块在氢键作用下能够自317博看网 . All Rights Reserved.中国材料进展第40卷组装成高度有序的聚集体㊂自2010年以来,氢键有机框架(HOFs)作为一类晶态有机多孔材料得到了较大的发展㊂氢键自身具有作用力弱㊁作用位点柔性以及方向性较差等特点,因此,在不同的合成条件和晶体生长溶剂中,HOFs 的结构也会发生变化,使其结构的多样性得到极大的提升[30]㊂然而,由于这类材料孔道内客体分子对氢键和骨架起到支撑作用,在除去客体分子后,大多数HOFs 的永久孔道容易坍塌㊂如何构筑高稳定性的有机多孔框架材料已成为该领域重要的挑战㊂光诱导和单晶到单晶转化技术协同组装与交联合成策略为解决这个难题提供了新的思路㊂如图1c 所示,该合成策略的关键在于如何设计并合成含有氢键和共价交联活性基团的有机单体模块㊂接着,在溶液中,这些功能单体通过分子间或者分子内的多重氢键作用自组装成高度有序的单晶态HOFs㊂然后,将交联剂扩散到上述单晶态HOFs 的孔道内,在光辐射和加热等外界条件的刺激下,这些高反应活性的交联剂与孔道内的单体骨架上的活性基团发生共价反应,从而实现有机单体之间的共价交联聚合,最终得到单晶态氢键驱动的有机共价交联框架材料(H C OFs)㊂由于聚合条件温和可控,光诱导交联前后晶态保持得相对较好,其结构可以通过单晶衍射分析测定并解析㊂这一策略的缺陷在于交联剂的选择单一㊁共价聚合反应周期过长,这些因素增加了合成的难度㊂虽然在可控合成等方面有很大的困难,但有机单体模块的可设计性㊁晶体的高稳定性㊁特别是孔洞的柔韧弹性行为,让H C OFs 材料的设计合成技术为单晶态有机多孔材料的发展提供了新的技术支持㊂图1㊀单晶态有机聚合物多孔材料的合成策略与原理:(a)晶态共价有机框架材料(COFs),(b)原位合成晶态有机多孔聚合物材料,(c)光诱导氢键驱动共价交联框架多孔材料的分级组装与合成Fig.1㊀The synthesis strategy and principle of single crystalline porous organic polymer materials:(a)crystalline covalent organicframework materials (COFs),(b)in-situ synthesis method of crystalline organic porous polymer materials,(c)hierarchical as-sembly and synthesis of light-induced covalent cross-linking framework materials driven by hydrogen bonds3㊀单晶态有机聚合物多孔材料的发展概述3.1㊀单晶态共价有机框架材料(COFs)的研究进展2005年,Yaghi 等报道了共价有机框架材料COF-1和COF-5的设计思路㊁合成方法与结构表征[31]㊂此后,COFs 材料的合成㊁结构表征和性能研究开始受到广泛关注,具有组分㊁结构和功能可调性的共价有机骨架材料的开发与应用取得了很大的发展㊂目前,采用席夫碱缩合(C N 键)和硼酸酯化(O B O 键)等经典可逆化学键构造反应可控制备晶态COFs 材料一直是研究者关注的热点和难点㊂2008年,崔勇课题组用手性模块通过席夫碱缩合得到手性二维COFs [32]㊂417博看网 . All Rights Reserved.㊀第9期朱嘉君等:单晶态有机聚合物多孔材料的研究进展2016年,该团队又合成了具有双重互穿网络孔径分别为9Å和7~11Å的手性CCOFs-1和CCOFs-2[33]㊂此外, 2016年,王为课题组使用含手性功能团的二胺衍生物模块和均苯三甲醛直接构建了孔洞为2.8nm的手性COFs LZU-72和LZU-76[34]㊂这些晶态手性有机多孔材料在液相色谱分析和分离方面都有着很好的应用前景,例如:外消旋醇㊁亚砜㊁羧酸和酯的手性分离[35,36];芳烃混合物的分离[35]和敏感性不对称二醇化合物的手性传感[37]等㊂2016年,赵新课题组运用四苯胺和两种不同长度的刚性二醛共聚缩合得到了含有3种不同孔隙大小的有序共价有机框架[38]㊂2017年,该课题组先用[1,1ᶄ,3ᶄ,1ᵡ-三联苯]-3,3ᵡ,5,5ᵡ-四甲醛与苯二胺得到了COF材料,之后与加入的对二氨基联苯交换反应实现了COF到COF的转换[39],与通过氧化亚胺键形成酰胺键完成保留结晶度和永久孔隙度的COF化学转化[40]㊂与之前的报道不同的是,赵新的策略调节了网络的孔隙大小和形态㊂传统的COFs合成大多在成键聚合过程中引入B,O, N等元素,很难实现完全由sp2碳连接的全共轭二维有机框架结构的可控合成㊂为了解决这一问题,2017年江东林课题组用1,3,6,8-四(4-甲酰基苯基)芘和1,4-苯乙二腈为组装模块在溶剂热条件下由sp2杂化碳共轭连接得到了高结晶性的二维全共轭共价有机半导体材料(sp2C-COF)[41]㊂这一研究结果为今后设计具有高密度数据存储能力的晶态有机聚合物多孔材料提供了新的思路和平台㊂2018年,Yaghi课题组报道了以1,3,5-三甲酰基间苯三酚和1,4-亚苯基二脲为有机单体聚合得到一类含有尿素键的柔性二维共价有机骨架材料[42],证明了拥有尿素键和羟基反应位点的有机模块可以聚合得到晶态COF 材料㊂一些实例说明,通过引入合适的有机聚合反应可以实现不同结构的晶态COF材料的可控自组装和合成㊂新型COF材料晶体结构表征通常依赖于粉末X射线衍射和电子衍射数据㊂在此基础上,研究人员通过理论模拟对COFs内部结构进行模拟预测和建模[43]㊂然而,更精确的原子排列和立体构型难以明确,诸如:客体分子的排列㊁不寻常的拓扑结构等特征难以证实㊂因此,大尺寸稳定的COF单晶可控生长就成为解决新型COF材料结构问题的关键㊂同时开发更先进的表征手段来确定这些结构也成为一种确定单晶态COF微观结构的必要途径㊂以四(4-氨基苯基)甲烷(TAM)和对苯二甲醛(BDA)为单体聚合得到的COF-300和COF-303(COF-300单体中的醛基和氨基互换)有着类似的宏观形貌和微观结构,以致于无法通过有效的表征手段区分(图2a和2b),Yaghi 和王为团队提出的缓慢单体交换技术有效解决了这一难题㊂如图2c所示,COF-300和COF-303的晶体结构清楚地显示出亚胺键中C C N C扭曲角的微小差别和化学键转化的可能性㊂2018年,Yaghi和王为团队使用苯胺(即过量苯胺交换亚胺)作为具有反应交换能力的单体模块,使COF-300㊁COF-303㊁LZU-79等多晶晶体经过72h的化学键重构并且缓慢结晶(图2d),成功长出了高质量的大尺寸三维COF单晶㊂其中COF-300由原来的粉末多晶生长为尺寸达到60μm的单晶㊂为了证明该技术的普适性,他们合成了一种新的手性COF材料(LZU-111),通过加入过量的苯胺,LZU-111最终生长成约为60μm的六边形棱柱单晶[25]㊂这种方法首次实现了共价有机框架材料大尺寸单晶的生长和结构解析,将 共价组装有序结构 的研究提升到新的高度㊂2018年,Dichtel团队成功实现了COF合成和单晶生长过程中成核和结晶两阶段的分级控制(图3)㊂该策略的关键技术在于,在单晶生长期,先采用缓慢添加单体的方式抑制了成核,再通过硼酸酯化缩合得到了尺寸为500nm~1.5mm的大尺寸单晶COF[44]㊂在此基础上,还更换了其他有机单体分别得到单晶态COF-10和TP-COF,结果证明,这种 成核 和 结晶 分离的两步法策略具有普适性㊂不仅如此,研究还发现COFs材料的尺寸增大有效阻止了激子-激子湮灭行为,极大地提高了这类晶态有机聚合物多孔材料的光学性能㊂随着模块化可控合成COFs材料技术的发展,很多结构多样㊁性能优异的晶态COFs材料被报道出来㊂结晶性和单晶尺寸的优化改进使得通过晶体学等表征手段精确分析COFs材料分子结构的难度大大降低㊂模块化合成策略已经发展成为高晶态COFs材料的重要制备技术㊂3.2㊀原位晶态有机聚合物材料的发展原位晶态材料以其新颖的模板和合成策略受到关注㊂如何设计合成具有光反应活性的有机单体,并通过自组装㊁晶体生长和外界刺激原位共价交联等步骤可控制备晶态有机聚合物材料具有很大挑战性㊂2013年,Wuest团队合成并利用四(4-硝基)甲烷和四(4-硝基)硅烷作为有机模块分子,通过溶液单晶生长得到质量较好的块状单晶㊂然后利用光照诱导单晶体中有机单体之间发生共价交联(晶体尺寸约为0.5mm)㊂从晶体结构特征可以推测,在溶剂中有机单体可以通过反式偶氮二氧键的可逆构型翻转自组装成高度有序的三维结构(图4)[45]㊂实验结果表明,在原位晶态聚合策略中,具有高反应活性有机模块分子的设计㊁合成与自组装在可控构筑可预测的非共价网络和有序共价框架材料过程中发挥了非常重要的作用㊂517博看网 . All Rights Reserved.中国材料进展第40卷图2㊀运用单体缓慢交换法实现COFs 单晶生长与形貌控制的制备路径[25]:(a)COF-300的微观结构,(b)COF-303的微观结构,(c)COF-300和COF-303的单晶结构,(d)亚胺交换促进单晶COF 的生长,(e)采用苯胺单体交换获得的大尺寸单晶COF-300的SEM 照片和未通过苯胺交换的多晶COF-300的SEM 照片Fig.2㊀The single crystal growth pathway of COFs and their crystalline morphology control using the slow monomer exchange method [25]:(a)COF-300microstructure,(b)COF-303microstructure,(c)the crystal structure of COF-300and COF-303,(d)imine bond ex-change promotes the crystal growth of COFs,(e)SEM images of large-size single crystalline COF-300obtained via aniline exchangeand polycrystalline COF-300without anilineexchange图3㊀二维单晶态有机共价框架材料的硼酯聚合㊁控制成核和单晶生长示意图[44]Fig.3㊀Schematic diagram of boronic ester polymerization,controlled nucleation and single crystal growth of two-dimensional singlecrystalline organic covalent framework materials [44]617博看网 . All Rights Reserved.㊀第9期朱嘉君等:单晶态有机聚合物多孔材料的研究进展图4㊀原位交联制备三维共价交联框架多孔材料的示意图[45]:(a)R N O 可逆化形成二聚体的反应路径,(b)四苯甲烷单体可逆聚合路径,(c)光学显微镜拍摄的单晶外观形貌照片(0.5mm),(d)单晶衍射测定的三维互穿共价网络结构Fig.4㊀In-situ cross-linking strategy for preparation of a three-dimensional covalent cross-linked framework material [45]:(a)the reversible dim-erization pathway of diazo bonds using R N O monomer,(b)reversible polymerization pathway of tetraphenylmethane monomer,(c)optical microscope photograph of single crystal (0.5mm),(d)three-dimensional interpenetrating network structure measured by single crystal diffraction㊀㊀此外,光辐射聚合具有反应高效㊁条件温和㊁原位合成等优点而被广泛用于单晶态有机聚合物框架材料的原位聚合㊂2012年,Schlüter 团队报道了一种光诱导共价聚合策略,其关键技术在于利用含有3个光模块单元1,8-二乙基蒽(DEAs)的桥联三苯(TPBs)有机单体在有机溶剂中结晶,单体自身的结构刚柔性(多位点连接)有效抑制了无序的分子运动,然后光照使晶体中蒽的C9㊁C10位sp 2碳与邻近的炔基共价交联聚合得到了六边形的晶体(图5a ~5c)[46]㊂由于该类聚合物的单晶尺寸比较小且稳定性低,2014年Schlüter 团队优化了策略,合成了一种以蒽位分子臂的三嗪基刚性共价笼作为交联有机单体(CPY,图5d),这种刚性单体生长得到的晶体非常稳定,而且很容易通过改变单晶生长条件得到较大尺寸单晶(>1mm)[47]㊂在单体晶体结构中,单体通过分子间的强π π堆积作用有序排列成多维层状结构,相邻蒽基团中的活性碳中心C9㊁C10交联形成了一个edge-to-face (ETF)结构(图5e)㊂热处理可以产生大量稳定并可以通过X 射线晶体学测定结构的层状晶体,采用简单的机械图5㊀单晶态有机聚合物材料的原位交联:(a)TPBs 单体结构,(b)光照诱导蒽的C9㊁C10位与炔基的环加成反应,(c)晶体中二维层状结构[46];(d)CPY 单体结构,(e)CPY 分子光化学驱动的二聚及其解聚,(f)晶体中薄层结构光学显微镜照片[47]Fig.5㊀In-situ cross-linking of single-crystalline organic polymer materials:(a)TPBs monomer structure,(b)light induced cycloaddition reactionbetween the C9/C10carbon atoms and alkyne groups,(c)2D layer-like structure in the crystal [46];(d)molecular structure of CPY mon-omer,(e)photochemical dimerization reaction between CPY molecules and reversible depolymerization,(f)optical microscope morphology of thin layer structure in a single crystal [47]717博看网 . All Rights Reserved.中国材料进展第40卷剥离可以得到薄的层状晶态材料㊂这项成果表明:①由于堆积过程存在局部的无序和错位,导致光交联后存在较少部分的活性位点共价反应不充分,存在局部缺陷;②通过改变光的波长和能量可以实现原位共价聚合的可逆解离,从而精确控制聚合物在交联聚合和解离两种不同状态下转化㊂2014年,Kissel 等制备了高密度(约3.3ˑ10-13g㊃cm -2)的(厚度0.8nm)纳米多孔膜(图6)[48]㊂聚合和剥离分为3步:①带有3个光交联位点的刚性单体(fantrip)在中心点通过[2.2.2]双环桥头连接形成层状晶体,②使用蓝光光照使叶片相邻的蒽的C9㊁C10位[4+4]环加成形成二维聚合物,③室温下在NMP 溶液中或置于50ħ的环境中使二维聚合物分离为薄片,用高分辨率单晶X 射线衍射对其剥离的薄层膜进行表征表明,分离的薄层保持着完善的晶型㊂图6㊀采用光诱导环加成技术原位合成蒽基单晶态有机聚合物材料[48]:(a)单体fantrip 的化学结构,(b)蒽环叶片面对面堆叠的晶体结构,(c)蓝光光照聚合及其50ħ解聚Fig.6㊀In-situ synthesis of anthracene-based single-crystal organic pol-ymer materials using light-induced cycloaddition technolo-gy[48]:(a)the chemical structure of the monomer fantrip,(b )the crystalline structure of the anthracene ring leaves stacked in face-to-face mode,(c)blue light induced polymer-ization and its depolymerization at 50ħ2013年,Frauenrath 团队扩展了原位晶态材料合成策略的范围,运用溴乙炔类有机单体通过两步共价交联㊂首先,溶解在DCM /heptane 溶液中的有机单体在4ħ的环境下缓慢挥发得到了浅棕色单晶;接着,在光照条件下,单晶中有机单体中的炔基之间通过共价聚合形成高度有序的单晶态有机聚合物材料,这是第一个无反应物生成的卤代乙炔二聚反应得到晶态材料的例子[49]㊂该合成方法突显了含不饱和碳的功能性衍生物作为原位合成晶态有机聚合物原料的潜力和可能性㊂为了发展快捷㊁高产率的单晶态共价聚合技术,研究人员尝试采用一些能够在温和条件下发生的共价交联反应,在特定的活性基团上实现共价聚合㊂2017年,Schlüter 课题组设计并合成了克级(35g)的以苯乙烯基鎓盐为臂的单体3(图7a),并成功在乙酸和甲酸的混合溶剂中结晶㊂他们利用分子之间的π-π相互作用作为自组装驱动力,在溶液中生长出5g 浅棕色的具有层状结构的高质量晶体(尺寸约为0.5mm)(图7b)㊂在晶体结构中,每个单元由3个单体上下排列形成分子堆积层㊂在4ħ的温度下,分子间的碳碳双键通过[2+2]环加成聚合为黄色的二维有机聚合物单晶(图7c)㊂这项工作运用[2+2]拓扑环加成和单晶到单晶转化技术,成功实现了单晶态二维聚合物的拓扑组装㊂作为少有报道的[2+2]拓扑环化单晶态有机聚合物材料,这一事例证明了合成单晶二维有机聚合物的可行性[50]㊂图7㊀[2+2]环加成聚合方法中采用的烯基单体与光诱导原位聚合物路径示意图[50,51]:(a)有机单体结构,(b)单体1自组装排列堆积形成的晶体结构,(c)在光照条件下实现单体分子间可逆的[2+2]环加成聚合形成单晶态有机多孔聚合物材料Fig.7㊀The schematic diagram of [2+2]-cycloaddition polymerizationusing alkenyl-based monomer as building blocks [50,51]:(a)the molecular structures of monomers 1and 3,(b )crystalstructure of monomer 1,(c)the structure of crystalline porous polymer cross-linked via reversible [2+2]cycloaddition under light irradiation单层2DP 作为膜材料在气体分离和离子分离的应用方面有着潜在价值㊂虽然研究者们已经合成了许多近乎817博看网 . 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多孔材料的研究报告摘要：本研究报告旨在探讨多孔材料在各个领域中的应用和研究进展。

首先，我们介绍了多孔材料的定义和分类，并重点讨论了其在能源存储、环境污染治理和生物医学等领域中的应用。

然后，我们详细阐述了多孔材料的制备方法和表征技术。

最后，我们展望了多孔材料研究的未来发展方向。

1. 引言多孔材料是指具有空隙结构的材料，其孔隙大小和形状可以通过控制制备条件得以调控。

多孔材料因其特殊的结构和性能，在众多领域中得到了广泛应用。

本研究报告将重点关注多孔材料在能源存储、环境污染治理和生物医学等领域中的应用。

2. 多孔材料的应用2.1 能源存储多孔材料在能源存储领域中扮演着重要角色。

例如，多孔碳材料具有较大的比表面积和优异的电导性能，被广泛应用于锂离子电池和超级电容器等能源存储设备中。

此外，金属有机骨架材料和金属氧化物等多孔材料也被用于储氢材料和燃料电池等领域。

2.2 环境污染治理多孔材料在环境污染治理中具有重要的应用潜力。

例如，多孔陶瓷材料和多孔纳米复合材料可用于水处理领域，通过吸附和过滤等机制去除水中的有害物质。

此外，多孔材料还可用于气体分离和催化降解有机污染物等方面。

2.3 生物医学多孔材料在生物医学领域中也有广泛应用。

例如，多孔生物陶瓷材料可用于骨组织工程和人工关节等领域，通过其良好的生物相容性和生物活性促进组织再生和修复。

此外，多孔聚合物材料还可用于药物缓释系统和组织工程等方面。

3. 多孔材料的制备方法多孔材料的制备方法多种多样，常见的包括模板法、溶胶凝胶法和气相沉积法等。

模板法通过在多孔材料表面形成模板，然后填充或沉积材料来制备多孔结构。

溶胶凝胶法则通过溶胶的凝胶化过程来形成多孔结构。

气相沉积法则通过气相反应生成多孔材料。

4. 多孔材料的表征技术多孔材料的表征技术对于研究其结构和性能至关重要。

常用的表征技术包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、比表面积分析仪（BET）和孔径分布分析仪等。