●李 偉

萬物皆有孔，孔中乾坤大

多孔材料是一種由相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料，孔洞的邊界或表面由支柱或平板構(gòu)成，如蜂窩。最為常見的就是木材，木材中間有很多細(xì)小的孔洞，千百年來，這些天然的多孔材料被人們廣泛利用，用于建造房屋、船只，古羅馬時(shí)代就被用于酒瓶的瓶塞等。一般來說，多孔材料都具有大的表面積和連通的孔道結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)槲镔|(zhì)的傳輸提供通道，如自然界中的葉脈的傳輸系統(tǒng)、人類的呼吸系統(tǒng)、血液循環(huán)系統(tǒng)等。

近代人們開始自己制造多孔材料，其中最簡單的是由大量相似的棱形孔洞組成的蜂窩狀材料，可用作輕質(zhì)構(gòu)件。更常見的是高分子泡沫材料，如海綿，其用途廣泛，可用于小到隨處可見的咖啡杯，大到飛機(jī)坐艙的減震墊等?，F(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展使得金屬、陶瓷、玻璃等材料也能像聚合物那樣發(fā)泡。這些新型泡沫材料正逐漸地被用作絕緣、緩沖、吸收沖擊能量的材料，從而發(fā)揮了其由多孔結(jié)構(gòu)決定的獨(dú)特的綜合性能。多孔材料典型的優(yōu)點(diǎn)是相對密度低、相對強(qiáng)度高、比表面積高、重量輕、隔音、隔熱、滲透性好等,其應(yīng)用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單一功能的材料,而在航空、航天、化工、建材、冶金、原子能、石化、機(jī)械、醫(yī)藥和環(huán)保等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

介孔材料憑什么開創(chuàng)應(yīng)用新領(lǐng)域

按照國際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）的規(guī)定，多孔材料可分為三大類，孔徑小于2 nm的為微孔材料，如沸石；孔徑處于2～50 nm之間的為介孔材料，如天然粘土；孔徑大于50 nm的為大孔材料，如海綿（圖1）。1992年國際著名美孚石油（Mobil）公司的研究人員首次成功地合成出介孔材料，是多孔材料領(lǐng)域里程碑式的發(fā)展，引發(fā)了介孔材料研究熱潮，開創(chuàng)了全新領(lǐng)域。與微孔材料相比，介孔材料孔徑更大，適合大分子參與的反應(yīng)過程。與大孔材料相比，介孔材料具有更大的比表面積和活性位點(diǎn)，顯示獨(dú)特的納米限域效應(yīng)。在能源、健康、信息等領(lǐng)域應(yīng)用中，具有不可替代的地位，給化學(xué)和材料的領(lǐng)域發(fā)展帶來了一場革命。

圖1 多孔材料分類

能源是現(xiàn)代社會的動(dòng)力和源泉，是人類活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，人類的發(fā)展史就是能源的使用史。當(dāng)前人類使用的燃料和能量大多來自化石能源。而且，在可預(yù)見的未來，化石能源仍將是人類最主要的能量來源。因此，高效利用有限的化石資源尤其重要，因?yàn)槲覀兡壳斑€沒有可替代的資源和技術(shù)來提供人類所需的如此大量的能源。我國石油資源嚴(yán)重短缺，2018年原油消耗量已高達(dá)～7億噸，對外依存度已超過～67%，并逐年攀升。更為嚴(yán)峻的是，我國原油中平均渣油含量高達(dá)47.8%，很難轉(zhuǎn)化成高附加值的產(chǎn)品，如汽油、柴油等。這是因?yàn)樵头肿恿看蟆⒔M分復(fù)雜、雜質(zhì)多、粘度高等，在傳統(tǒng)微孔分子篩催化劑中擴(kuò)散困難、易導(dǎo)致催化劑中毒失活等。介孔材料由于其大孔徑、弱酸性、可調(diào)結(jié)構(gòu)等突出優(yōu)點(diǎn)，在渣油大分子加氫裂化催化應(yīng)用中，表現(xiàn)出非常優(yōu)異的性能，我國科學(xué)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這一技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用（圖2）。

圖2 介孔材料在石油化工中的應(yīng)用

另外，介孔材料在生物質(zhì)大分子的轉(zhuǎn)化過程中也發(fā)揮著不可替代的作用。生物質(zhì)能夠提供大量可再生的碳，是太陽能高效利用的一個(gè)重要途徑。將生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的燃料和化學(xué)品是一項(xiàng)長期的任務(wù)。通常，生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程涉及到將龐大的生物大分子分解成小的基礎(chǔ)分子，再對這些小分子進(jìn)行進(jìn)一步加工，最終生成高附加值的產(chǎn)物。介孔材料大的孔徑、高的比表面積，能夠加速物質(zhì)的擴(kuò)散，并使它們更容易接近反應(yīng)活性位點(diǎn)，從而幫助促進(jìn)生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。

能源搭上介孔，許多記錄將被改寫

太陽能是人類的終極能源，太陽能的高效利用具有非常重要的意義，是科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。利用光催化反應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為高附加值的燃料是太陽能利用的另一條潛在的途徑。首先，太陽能燃料可以減少人們對傳統(tǒng)化石能源的依賴。其次，與傳統(tǒng)化石能源相比，低碳?xì)浔鹊奶柲苋剂细拥木G色和清潔，有助于溫室氣體的減排和低碳經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)。更重要的是，太陽能燃料燃燒產(chǎn)生的水和二氧化碳又可以作為生產(chǎn)太陽能燃料的原料，形成生態(tài)平衡的閉環(huán)。介孔材料是理想的催化劑，將太陽能轉(zhuǎn)化氫氣、甲烷等清潔燃料，并實(shí)現(xiàn)燃料的高效轉(zhuǎn)化生成電能（圖3）。介孔材料高的比表面積提供了大量的活性位點(diǎn)，大的孔徑和孔容促進(jìn)了反應(yīng)物和產(chǎn)物的傳輸，納米孔道的限域效應(yīng)增強(qiáng)了界面催化反應(yīng)等。

圖3 介孔材料在太陽能轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用

太陽能、風(fēng)能等可再生能源都存在不穩(wěn)定性和間歇性的問題，對電網(wǎng)的可靠性造成很大沖擊，其有效利用必須依賴于高效的儲能技術(shù)。隨著全球可再生能源的普及應(yīng)用、電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展以及智能電網(wǎng)的建設(shè)，儲能技術(shù)成為制約或促進(jìn)能源發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。智能電網(wǎng)通過儲能裝置進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)峰，以增加輸配電系統(tǒng)的容量及優(yōu)化效率。儲能的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)對電能的儲存，在需要的時(shí)候釋放出來。

在眾多儲能技術(shù)中，技術(shù)進(jìn)步最快的是電化學(xué)儲能技術(shù)，是指通過電池對電能直接進(jìn)行存儲和釋放（圖4）。其中，鋰離子電池一經(jīng)問世，就以其高能量密度、長循環(huán)使用壽命等優(yōu)勢席卷整個(gè)消費(fèi)類電子市場，現(xiàn)在已成為支撐和限制新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)。與此同時(shí)，全釩液流電池、鉛炭電池等技術(shù)經(jīng)過多年的實(shí)踐積累，正以其突出的安全性能和成本優(yōu)勢，在大規(guī)模固定式儲能領(lǐng)域快速拓展應(yīng)用。此外，鋰硫電池、鈉離子電池、鋅空氣電池、固態(tài)鋰電池等新興電化學(xué)儲能技術(shù)也如雨后新筍般涌現(xiàn)，并以越來越快的速度實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用的跨越。其核心的關(guān)鍵之一是儲能電極材料的發(fā)展，介孔材料在電化學(xué)儲能技術(shù)中也大放異彩，其相互連通的孔道結(jié)構(gòu)不僅有利于電解液的快速傳輸，還有助于緩沖充放電過程的體積變化以及緩存放電產(chǎn)物等，表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

圖4 介孔材料在電化學(xué)儲能技術(shù)中的應(yīng)用

碳資源的高效利用、碳減排和碳循環(huán)、綠色可再生能源的開發(fā)已經(jīng)成為戰(zhàn)略研究的重點(diǎn)和社會面臨的重大挑戰(zhàn)。通過在不同尺度上對材料的孔隙率、結(jié)構(gòu)和組成等進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和構(gòu)建，就可能制備出能源高效轉(zhuǎn)化和存儲過程中所需的各種功能的介孔材料，推動(dòng)破解國家重大戰(zhàn)略難題。