有序介孔材料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。

有序介孔材料虽然目前尚未获得大规模的工业化应用，但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。

化工领域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。

生物医药领域一般生物大分子如蛋白质、酶、核酸等，当它们的分子质量大约在1～100万之间时尺寸小于10nm，相对分子质量在1000万左右的病毒其尺寸在30nm左右。

有序介孔材料的孔径可在2－50nm范围内连续调节和无生理毒性的特点使其非常适用于酶、蛋白质等的固定和分离。

实验发现，葡萄糖、麦芽糖等合成的有序介孔材料既可成功的将酶固化，又可抑制酶的泄漏，并且这种酶固定化的方法可以很好地保留酶的活性。

生物芯片的出现是近年来高新技术领域中极具时代特征的重大进展，是物理学、微电子学与分子生物学综合交叉形成的高新技术。

有序介孔材料的出现使这一技术实现了突破性进展，在不同的有序介孔材料基片上能形成连续的结合牢固的膜材料，这些膜可直接进行细胞/DNA的分离，以用于构建微芯片实验室。

药物的直接包埋和控释也是有序介孔材料很好的应用领域。

有序介孔材料具有很大的比表面积和比孔容，可以在材料的孔道里载上卟啉、吡啶，或者固定包埋蛋白等生物药物，通过对官能团修饰控释药物，提高药效的持久性。

利用生物导向作用，可以有效、准确地击中靶子如癌细胞和病变部位，充分发挥药物的疗效。

环境和能源领域有序介孔材料作为光催化剂用于环境污染物的处理是近年研究的热点之一。

例如介孔TiO2比纳米TiO2（P25）具有更高的光催化活性，因为介孔结构的高比表面积提高了与有机分子接触，增加了表面吸附的水和羟基，水和羟基可与催化剂表面光激发的空穴反应产生羟基自由基，而羟基自由基是降解有机物的强氧化剂，可以把许多难降解的有机物氧化为CO2和水等无机物。

此外，在有序介孔材料中进行选择性的掺杂可改善其光活性，增加可见光催化降解有机废弃物的效率。

目前生活用水广泛应用的氯消毒工艺虽然杀死了各种病菌，但又产生了三氯甲烷、四氯化碳、氯乙酸等一系列有毒有机物，其严重的“三致”效应（致癌、致畸形、致突变）已引起了国际科学界和医学界的普遍关注。

通过在有序介孔材料的孔道内壁上接校γ－氯丙基三乙氧基硅烷，得到功能化的介孔分子筛CPS －HMS，该功能性介孔分子筛去除水中微量的三氯甲烷等效果显著，去除率高达97％。

经其处理过的水体中三氯甲烷等浓度低于国标，甚至低于饮用水标准。

有序介孔材料在分离和吸附领域也有独特应用。

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。

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。

目前在国内已有北京化工大学、复旦大学、吉林大学、中国科学院等多家科研机构和单位从事有序介孔材料的研究开发工作。

可以相信，随着研究工作的进一步深入，有序介孔材料像沸石分子筛那样作为普通多孔性材料应用于工业已不遥远。

《多孔材料历史图一介孔材料。

图片来自赵东元小组工作（一）多孔材料简介多孔材料，顾名思义，就是有很多孔的材料；不仅要外面有孔，里面也要有孔，这样才名副其实。

一般呢，这孔的物理结构有三种：（1）里面的孔全部被封住了，孔与孔之间是实心儿的固体隔开，无法通过普通的物理方法测得其内部构造和pore volume（比如说，常用的氮气表面吸附法）。

但是可以用有穿透力的工具搞定，比如说，投射电镜（TEM）和X射线衍射/散射(Small-angle X-ray scattering or X-ray diffraction）。

（2）里面的孔被“半封住”。

也就是说，相邻的孔之间的固体墙壁内部，藏有狭小的通道。

分子可以经过这些小管子在孔之间窜来窜去，但是比较费劲：没办法，路太窄，分子们太肥。

小一点的分子呢，勉强可以来回跑；稍微大一点儿的呢，进去了就出不来了，卡在里面了；再大一些的呢，干脆就进不去了，只是在多孔材料颗粒外面绕一圈儿。

当然，相对于不同尺度的分子，这个限制是不一样的。

（3）孔与孔之间是很宽敞的通道，于是分子可以在整个多孔材料颗粒内部自由流通；同时颗粒内外，对于一定尺寸的分子而言，都是accessile的。

不过，如果一个分子一旦闯进多孔材料颗粒这个大迷宫，一般而言都要费一番周折，在里面绕腾绕腾才能出来。

上面废话了这么多，要说明一个什么问题呢？呵呵～～不同的孔的结构，会适合不同的应用场合。

比如说，工业上广泛应用的异相催化剂，一般都是放在一些多孔材料制成的载体上的。

为什么是多孔材料呢？因为它们有很大的表面积，这样有催化活性的颗粒（有很多都很昂贵）就可以被尽可能得分散在载体表面，从而提高活性。

在这种情况下，第三种孔结构是非常合适的。

工业上大量采用的，有便宜的活性炭和silica。

可是，还有一种情况，那就是在石油工业中，往往需要碳链长度在一定范围的烷烃，来组成不同用途的燃料，比如说汽油，煤油，柴油，重油，石蜡等。

还有就是支链的烷烃和取代苯环这些有很高辛烷值的组分。

怎么办呢？除了选择合适的催化裂解/重整催化剂外，人们还发现，有一种奇妙结构的物质，可以“筛选”出想要的组分。

对了！大家也许想到了，这就是大名鼎鼎的分子筛，又叫沸石,molecular sieve,或者是zeolite。

因为zeolite的孔径一般只有不到一个纳米，正好和有些分子的尺度相仿，因此，它具有很好的选择性。

这个zeolite呢，就属于上面提到的第二种孔。

前言：刚才用高压锅煮了一大锅绿豆大米汤，发现做饭和做实验还真挺象的啊。

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－好，言规正传。

在前面的（一）中，俺忽悠了一下这个孔的结构。

现在具体来白活白活多孔材料的尺度分类。

根据IUPAC的标准，多孔材料按照其孔径划分为三类：（1）这个“阿一”呢，是孔径小于2个纳米的，被称为是微孔(microporous)。

我们常见的微孔材料，有大名鼎鼎的分子筛(molecular sieve, zeolite）还有活性炭。

他们的共同特征是具有超大的表面积，一般可达2000－3000 m2/g（BET 法测得。

有高人可能会讲：BET测微孔材料表面积不准确！对！不过大家都这么测，所以为了统一标准和可比较，就都这么搞）而且孔与孔之间高度联通。

这就使得它们成为非常吸引人的催化剂载体和吸附材料。

（记得以前听说过什么“纳米冰箱”和“纳米防臭鞋垫”。

不知道是不是利用活性炭来吸附异味呢？哪位知道的请给科普一下）图二微孔硅酸钛ETS-10, 介孔硅SBA-1 and 大孔硅藻土。

图片来自于/groups/cnm/（2）这个“阿二”呢，是孔径在2到50纳米之间的，称为中孔或介孔(mesoporous)。

目前已经商业化的介孔材料好像还不多。

当然，有些经过特殊处理过的活性炭也具有很高的mesoporosity。

由于介孔材料的孔径大于分子筛，因此可以允许一些大的分子通过，比如蛋白质等。

这就使介孔材料较之微孔材料有了更广的应用范围。

此外，通过表面修饰(surface functionalization)，介孔物质可以被扩展成为种类繁多的功能形材料。

由于孔径在几个纳米甚至更大的尺度，表面修饰引入的官能团不会阻塞颗粒的多孔表面（与zeolite比较）。

当孔径分布可控时，介孔催化剂还具有了象zeolite一样的选择性。

（3）这个“阿三”呢？（“阿三”？听起来有点耳熟啊。

），时孔径大于50纳米的多孔材料，一般成为“大孔”（有称“超孔”的吗？）。

常见的大孔材料是－－－海绵，树干，骨骼等。

因为孔太大了，有的甚至达到微米和毫米量级，所以分子和溶液等可以在大孔颗粒内部更为自由的穿梭，使得扩散效应对反应速度的影响降至很低的程度。

可见，这三种孔结构各有各的优势。

因此，人们很自然得想到了制备复合孔结构－－－至少包括两种，来让它们优势互补。

先驱－－介孔硅在前面提到过，介孔是指孔径在2－50纳米之间孔。

至于“介孔”这个名称的由来，我想是介于“微孔”和“大孔”之间吧。

它的另外一个名字就是“中孔”。

恩，，在两者中间，一个意思。

至于最早合成出介孔材料者，目前国际上公认的和推崇的，是Mobil group在1992年发表在JACS上的，用基于溶胶－凝胶过程的自组装法制备的mesostructured silicates －－－M41S。

其基本过程包括：一种silica precursor，tetraethylorthosilicate (TEOS)的在碱性条件下的水解（也可以用硅酸钠做precursor），生成带负电荷的silicate nanocluster，然后与带正电荷的表面活性剂分子（也被更广泛的称作structure-directing agent，就如tetramethyammonium hydroxide和tetrapropyl hydroxide等用于zeolite Y和ZSM－5的合成中）形成的胶束经由静电作用聚合成复合胶束；复合胶束彼此之间再自组装成mesostructure。