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有序介孔材料的发展和面临的挑战霍启升吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室，中国吉林长春，邮编：130012E-mail: huoqisheng@摘要简要介绍有序介孔材料的发现和发展历史，讨论合成、结构、应用等方面所面临的挑战。
有序介孔材料有序介孔材料是指孔道规则且有序排列的介孔材料，早在1971年介孔材料的合成工作就已开始，日本的科学家们在1990年之前也已通过层状硅酸盐在表面活性剂存在下转化开始介孔材料合成，1992年Mobil的报导才引起人们的广泛注意，并被认为是介孔材料合成的真正开始。
Mobil 使用表面活性剂作为模板剂，合成了M41S 系列介孔材料，包括MCM-41（六方相）、MCM-48（立方相）和MCM-50（层状结构）。
经过近二十年的全球性科学家的团结努力和辛苦工作，介孔材料的研究工作发展极快，并且成效显著，涉及到合成、结构、性质、应用等各个方面，参与研究的科学家专业分布极其广泛，介孔材料研究是近年来少有的受人瞩目且快速发展的研究领域。
有序介孔材料的优势有序介孔材料的优势在于材料的独特的介孔结构（均一孔道尺寸及形状、高比表面、大孔体积）和合成过程简单，合成可重复，原料价格低廉，容易直接合成各类等级的可控结构，如薄膜、粉末、块体、微球、纤维、纳米级材料、各种微观形貌。
介孔材料的组成容易多样化，易掺杂。
尤其是二氧化硅基材料，表面羟基反应活性高，容易用各种有机基团修饰。
合成化学与结构及性质的研究起初介孔材料的合成化学的研究以介孔二氧化硅材料为主，后来被开展到其它组成。
合成机理的研究也是以二氧化硅体系为主要对象，根据不同的合成条件及体系，主要生成机理包括：从层状结构的转化、无机－有机静电作用、表面活性剂分子堆积参数的主导作用的协同自组装、真正液晶模板。
在上述机理的指导下，介孔材料合成工作迅速展开。
材料组成从硅酸盐系列扩展到非硅酸盐无机系列，后来又到有机－无机杂化材料、有机材料、碳材料。
有序介孔分子筛材料
有序介孔分子筛材料是一种具有有序介孔结构的分子筛材料。
它们具有较高的比表面积和孔体积，能够提供更大的表面反应活性区域和更好的质量传递性能。
这些材料具有均匀的孔道尺寸和分布，能够控制分子的扩散和吸附行为，因此具有重要的应用潜力。
有序介孔分子筛材料通常基于柱状硅酸盐结构，通过模板剂方法制备。
在合成过程中，有机表面活性剂被用作模板剂，调控孔道的尺寸和形貌。
合成后，利用高温烧结等方式去除模板剂，得到有序介孔结构。
有序介孔分子筛材料在催化、吸附、分离等领域具有广泛应用。
例如，它们可以用于催化剂的负载，增加活性组分的分散度和接触程度，提高催化反应的效率。
此外，它们还可以用于分子吸附和分离过程中的分子筛材料，由于其较大的孔道尺寸，在分离和富集目标物质时具有较好的选择性和效率。
总之，有序介孔分子筛材料是一类重要的纳米材料，具有广泛的应用前景。
它们通过控制孔道结构和尺寸，能够优化催化、吸附和分离等过程，为相关领域的研究和应用提供了新的机会。
有序介孔材料的制备及其应用研究近年来，有序介孔材料已经受到了广泛的关注，由于其独特的结构和性质，它可以用于许多应用，例如催化反应、污染物的捕集和分离，分子筛、吸附剂，纳米催化剂等。
有序介孔材料具有优异的表面积、空体积、比表面积等优异性质，在催化领域具有广泛的应用前景。
本文将以“有序介孔材料的制备及其应用研究”为主题，综述有序介孔材料的制备方法以及应用研究。
一、有序介孔材料的制备方法有序介孔材料主要是通过改变溶液的组成、配比和温度等条件来调节其表面形貌以及孔径的大小。
它的制备方法主要有包覆沉积法、溶剂脱附法、催化法、热处理法等。
1、包覆沉积法包覆沉积法是一种沉积对有序介孔材料的表面形态和孔径的控制方法，利用有机溶剂和有机物的混合漆，通过改变粒度大小，温度和湿度等条件来控制孔径大小，并利用包裹溶解原分子的能力来控制表面形态。
2、溶剂脱附法溶剂脱附法是一种分离类似有序介孔材料结构的方法，对具有不同孔道结构的材料，利用其对溶剂的吸收特性，使其具有不同的表面形态和孔径大小。
3、催化法催化法是利用催化剂、活性剂改变材料组成，以形成有序介孔结构的方法。
通过改变活性剂的浓度、分子量以及在反应中配位和参与反应的物质等条件，可以制备出不同形状、大小的有序介孔材料。
4、热处理法热处理法是改变溶液中物质组成来形成有序介孔材料的方法。
通过调节温度和pH值，以及添加不同类型的抗剂来调节溶液的性质，从而形成具有空体率和比表面积的有序介孔材料。
二、有序介孔材料的应用研究有序介孔材料具有优异的表面积、空体积、比表面积等性质，近年来已经被用于许多应用领域，有序介孔材料是大孔吸附剂中使用最广泛的一类，它们可以用于吸收和分离污染物，如：镍、硒、多氯联苯等。
另外，它也可以用于催化反应，例如燃料电池中的氢气转化，生物柴油及其他脂肪酸类化合物的制备以及氧化反应等。
另外，有序介孔材料还可以用于纳米催化剂的制备，它可以加速化学反应，具有高效能、高可靠性、稳定性良好等优点，近年来也已经被广泛地应用到来纳米分子机器、能源转换等领域。
有序介孔材料的合成与应用研究进展引言有序介孔材料是一类具有高度有序孔道结构的材料，具有较大的比表面积和孔容，广泛应用于吸附、催化、分离等领域。
本文将介绍有序介孔材料的合成方法以及在不同领域的应用研究进展。
一、有序介孔材料的合成方法1. 模板法模板法是制备有序介孔材料最常用的方法之一。
通过选择不同的模板剂，可以控制材料的孔径和孔道结构。
常用的模板剂包括硬模板剂和软模板剂。
硬模板剂通常是一些具有有序孔道结构的材料，如介孔二氧化硅、氧化铝等。
而软模板剂则是一些具有高度可调性的有机分子，如阴离子表面活性剂、聚合物等。
模板法的优点是合成过程简单，但模板的去除工艺较为复杂。
2. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种常用的无模板法制备有序介孔材料的方法。
该方法通过溶胶的凝胶过程形成介孔结构。
溶胶通常是由一种或多种无机物和有机物组成的溶液，凝胶过程中，溶胶中的成分在凝胶剂的作用下形成固态材料。
溶胶-凝胶法的优点是制备过程简单，可以制备出各种形状的材料。
3. 硬模板转化法硬模板转化法是一种通过模板剂的转化制备有序介孔材料的方法。
首先，选择一个具有有序孔道结构的硬模板剂，然后通过模板剂的转化过程，使其转化为无机材料。
硬模板转化法的优点是可以制备出具有复杂孔道结构的材料。
二、有序介孔材料在吸附领域的应用1. 气体吸附由于有序介孔材料具有较大的比表面积和孔容，因此在气体吸附领域具有广泛应用。
例如，将有序介孔材料用作气体分离材料，可以实现对不同气体的高效分离。
此外，有序介孔材料还可以用于气体储存和传感器等领域。
2. 液体吸附有序介孔材料在液体吸附领域也有着重要的应用。
例如，将有序介孔材料用作吸附剂可以有效去除废水中的有机物和重金属离子。
此外，有序介孔材料还可以用于药物吸附和催化剂的负载等方面。
三、有序介孔材料在催化领域的应用有序介孔材料在催化领域具有广泛的应用前景。
由于其较大的比表面积和孔容，可以提供更多的活性位点，从而提高催化剂的催化性能。
介孔碳燃料电池催化剂
介孔碳是一种有序介孔材料，具有良好的孔隙率、大比表面积、良好的电子导电性和水热稳定性等特点，可以作为燃料电池的电催化剂载体和多孔气体扩散电极的骨架。
当介孔碳负载金属纳米粒子后，可以制备高效的催化反应电极，应用于能量转换与转化器件。
介孔碳作为催化剂载体可以增大催化金属的分散性，提高催化金属与电解质的接触面积，从而增大气体电解液金属粒子的3相界面，提高反应活性。
介孔碳还为气液相传质提供了有利的通道，并与疏水性的扩散层一起控制着催化层的排水性能，具有良好的电子传导和优异的抗腐蚀性能。
因此，介孔碳在燃料电池催化剂领域具有一定的应用前景，有望为燃料电池的发展提供新的思路和方法。
不过，介孔碳的制备和应用仍需要进一步研究和探索，以实现其在燃料电池催化剂领域中的广泛应用。
有序介孔材料
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有序介孔材料是上世纪90年代迅速兴起的新型纳米结构材料，它一诞生就得到国际物理学、化学与材料学界的高度重视，并迅速发展成为跨学科的研究热点之一。
由于其具有大的表面积和相对大的孔径以及规整的孔道结构，介孔材料在催化、储能和分离吸附领域有独特的应用地位。
以下我将主要从有序介孔材料的背景特点、有序介孔材料的应用以及未来展望来介绍一下有序介孔材料。
关键词：有序介孔材料、催化领域、储能、分离吸附
一、有序介孔材料的背景及特点的简介
定义：有序介孔材料是以表面活性分子聚集体为模板，通过有机物与无机物之间的界面作用组装生成的孔道结构规则、孔径介于2-50nm的多孔材料。
1、发展历史
1992年Mobil公司的科学家首次报道合成了MCM（Mobil Com- position of Matter）-41介孔分子筛，揭开了分子筛科学的新纪元。
1994年，Huo等在酸性条件下合成出APMs 介孔材料，结束MCM系列只能在碱性条件下进行的历史，拓展了人们对模板法合成介孔材料的认识。
介孔材料合成的突破性进展是酸性合成体系中使用嵌段共聚物（非离子表面活性剂)为模板，得到孔径大、有序程度高的介孔分子筛SBA-15 。
1996年Bagshaw等采用聚氧乙烯表面活性剂，N0I0非离子型合成路线，首次合成出介孔分子筛Al2O3。
其表面积可达600 m2/g，去除模板剂后的热稳定性可达700℃。
1998年Wei等首次以非表面活性剂有机化合物（如D-葡萄糖等）为模板剂制备出具有较大比表面积和孔体积的介孔二氧化硅。
2、有序介孔材料的合成
目前介孔材料的合成方法主要有硬模板法和软模板法。
如下图1是软模板法，图2是硬模板法。
图1
软模板法合成介孔材料是用表面活性分子作为模板，这种方法的三种途径如图1所示A:直接沉淀，B:准液晶模板，B:溶剂挥发诱导自组装。
图2
硬模板法就是用一类含有介孔的固体材料，如介孔氧化硅、介孔炭等刚性骨架结构的模板来合成介孔材料的方法。
3、有序介孔材料的特性
与传统的多孔材料相比，有序介孔材料具有如下特征：
(1)均一可调的中孔孔径 (2)比表面积大 (3)易于掺杂其他组分的无定型骨架组成 (4)
较好好的热稳定性和水热稳定性 (5)颗粒具有丰富多彩的外形。
它所具有的孔道大小均匀、排列有序、孔径可在2－50nm范围内连续调节等特性，使其在分离提纯、生物材料、催化、新型组装材料等方面有着巨大的应用潜力。
二、有序介孔材料的应用
1、在催化领域的应用
有序介孔材料具有较大的比表面积，相对大的孔径以及规整的孔道结构，可以处理较大的分子或基团，是很好的择形催化剂。
特别是在催化有大体积分子参加的反应中，有序介孔材料显示出优于沸石分子筛的催化活性。
因此，有序介孔材料的使用为重油、渣油等催化裂化开辟了新天地。
有序介孔材料直接作为酸碱催化剂使用时，能够改善固体酸催化剂上的结炭，提高产物的扩散速度，转化率可达90％，产物的选择性达100％。
除了直接酸催化作用外，还可在有序介孔材料骨架中掺杂具有氧化还原能力的过渡元素、稀土元素或者负载氧化还原催化剂制造接枝材料。
这种接枝材料具有更高的催化活性和择形性，这也是目前开发介孔分子筛催化剂最活跃的领域。
有序介孔材料由于孔径尺寸大，还可应用于高分子合成领域，特别是聚合反应的纳米反应器。
由于孔内聚合在一定程度上减少了双基终止的机会，延长了自由基的寿命，而且有序介孔材料孔道内聚合得到的聚合物的分子量分布也比相应条件下一般的自由基聚合窄，通过改变单体和引发剂的量可以控制聚合物的分子量。
并且可以在聚合反应器的骨架中键入或者引入活性中心，加快反应进程，提高产率。
2、在储能领域的应用
有序介孔材料具有宽敞的孔道，可以在其孔道中原位制造出合碳或Pd等储能材料，增加这些储能材料的易处理性和表面积，使能量缓慢地释放出来，达到传递储能的效果。
还可以可以在介孔材料上负载纳米粒子（如Pt、 Pb的氧化物），做成良好的电极，改善纳米活性催化剂团聚的问题。
典型的就有介孔碳材料，由于有它具有，高的比表面积、连通的孔道结构、良好的化学稳定性和热稳定性，使它被广泛应用于超级电容器、锂电池、燃料电池和太阳能电池等领域中，为绿色能源发展作出了独特的贡献。
3、在吸附和分离领域的应用
在温度为20％－80％范围内，有序介孔材料具有可迅速脱附的特性，而且吸附作用控制湿度的范围可由孔径的大小调控。
同传统的微孔吸附剂相比，有序介孔材料对氩气、氮气、挥发性烃和低浓度重金属离子等有较高的吸附能力。
采用有序介孔材料不需要特殊的吸附剂活化装置，就可回收各种挥发性有机污染物和废液中的铅、汞等重金属离子。
而且有序介孔材料可迅速脱附、重复利用的特性使其具有很好的环保经济效益，目前人们已经利用其吸附性能来分离有机小分子、生物大分子和金属离子。
三、前景展望
在未来我们在有序介孔材料研究方面还可以从以下几个方面入手：
1、探索新型结构和性能的模板剂，合成新型孔道结构如多层次有序孔结构的介孔材料。
2、从硅铝体系转向金属、过渡金属氧化物、硫化物等非硅基体系，向具有有机功能基团或有机－无机杂化介孔材料发展，扩展有序介孔材料的范围。
3、利用计算机模拟和现代表征技术，从分子水平或微观结构上更好地理解有机表面活性剂-无机物之间的相互作用，认识介孔材料的合成机理。
4、提高介孔材料的热稳定性与水热稳定性，解决酸强度低，掺杂其他金属离子后结构不稳定性、掺杂量较低等问题。
5、加强介孔材料在催化、有机高分子分离、环保、纳米反应器、电子器件、传感器等方面的应用研究。
总结
介孔材料的发展大大的提升了化工反应催化剂、吸附分离的速度以及反应的效率转化率等，还在能源方面提高了能量的储存转化效率，是绿色和谐的新材料技术。
这就注定了介孔材料在未来的世界里有着广阔的前景，是学术和商业的潜力股新星。
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