多孔材料的研究范围很广，目前研究得较多的有各种 无机凝胶、有机凝胶、多孔半导体材料、多孔金属材料等。 这些材料的共同特点是密度小、孔隙率高、比表面积大、 对气体有选择性透过作用。
一般说来，材料的孔径小，则气体的渗透性差而选择 透过性好；材料的孔径大，则气体的渗透性好而选择透过 性差。介孔材料两方面性能都好，因而受到广泛重视。
O
Si
O
O
O
SiO44- (单聚正硅酸根 )
从 O － Si 连 线投影， 得到平面 图形，中心是 Si 和一个 O 的重叠， 则单聚正硅酸根可表示如右图：
焦硅酸根 Si2O76二聚硅酸根
硅氧四面体共用两个顶点，可连接成长链 ：
通式 [ Si n O 3n + 1 ] ( 2n + 2 ) 这种链状硅酸根之间，通过阳离子相互结合成束，即 成纤维状硅酸盐，如石棉。
于氧原子组成的四面体的包围之中，这些四面体又通过氧
桥连接成不同的骨架结构。来自沸石分子筛具有如下特点：
➢ 在分子筛骨架结构中形成许多有规则的孔道和空腔， 这些孔道和空腔在分子筛形成过程中充满着水分子和一 些阳离子，其中水分子可以通过加热脱除，形成有规则 的孔道和空腔结构骨架，通道的尺寸大到足够允许客体 分子通过，而阳离子则定位在孔道或空腔中一定位置上。
2. 微孔材料
1）微孔材料的结构及特点 微孔材料多为沸石分子筛，其骨架元素是硅、铝(称为
骨架硅、铝)及与其配位的氧原子，也可以用磷、镓、锗、 钒、钛、铬和铁等元素取代或部分取代骨架硅或铝，而形 成一些杂原子型分子筛。
通常在讨论分子筛时，除非特别指明骨架元素外，一 般均指硅铝分子筛。
分子筛
• 1932年，McBain提出了“分子筛”的概念。分子筛是指 具有均匀的微孔，其孔径与一般分子大小相当的一类物质 。分子筛的应用非常广泛，可以作高效干燥剂、选择性吸 附剂、催化剂、离子交换剂等。
➢ 在孔道和空腔中的阳离子是可以交换的，经阳离子 交换后，可以使分子筛的催化及吸附性能产生较大的变 化，例如A型分子筛骨架中的钠离子可以被K+、Ca2+所 交换。不同离子交换后的A型分子筛的吸附有效孔径会 发生变化；用稀土离子交换后的Y型分子筛具有很好的 催化反应活性。
2）微孔材料的合成及机理
a）分子筛的合成 传统的分子筛合成是以水玻璃和偏铝酸钠为原理制备
石棉
硅氧四面体共用两 个顶点，形成环状阴 离子结构 ：如绿柱石 Be3Al2(SiO3)6
SiO44- 共三个顶点相联，可形成片状（层状）结构，层 与层之间通过阳离子约束，得片层状硅酸盐。
如云母 KMg3 ( OH )2 Si3 AlO10
金云母
SiO44- 共用四个顶点，结成三维网络状结构，如沸石类。 沸石有微孔，有笼，有吸附性。孔道规格均一。
• 常用分子筛为结晶态的硅酸盐或硅铝酸盐，是由硅氧四面 体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成分子尺寸大小（通 常为0.3~2 nm）的孔道和空腔体系，因吸附分子大小和 形状不同而具有筛分大小不同的流体分子的能力。
硅酸盐结构
硅酸盐结构的图示法
硅酸盐种类极多，其结构可分为链状、片状和三维网络
状，但其基本结构单元都是硅氧四面体。
第十一章 多孔材料
1.多孔材料及分类 2.微孔材料 3.介孔材料 4.大孔材料 5.多孔材料的应用
1. 多孔材料及分类
国际纯化学及应用化学联合会按孔径的大小对多孔材料 进行了分类：
微孔 (孔径 < 2 nm)； 介孔 (孔径 2~50 nm)； 大孔 (孔径 > 50 nm)。
多孔材料是当前材料科学中发展较为迅速的一种材料， 特别是孔径在纳米级的多孔材料，具有许多独特的性质和 较强的应用性，引起了科学界及工商界的重视。美国能源 部曾为用于选择透过膜分离技术的多孔材料研究提供了巨 额资助。
硅铝分子筛，其基本化学过程为
成胶：一定比例的NaAlO2和Na2SiO3在有相当高的pH 值的水溶液中形成碱性硅铝凝胶。
晶化：在适当的温度下及相应饱和水蒸气压力下，处 于过饱和态的硅铝凝胶转化为结晶。不同类型的分子筛的 合成方法如下图所示。
近年来，由于技术的发展，分子筛的合成由传统的水
玻璃和偏铝酸钠为原料向以天然的黏土为原料，在碱性条 件下直接水热合成分子筛的方向发展，比较成功的是以高 岭土为原料合成A型和Y型分子筛。
沸石(Zeolites)的组成和结构 沸石是一类最重要的分子筛，其骨架由顶角相连的 SiO4
和 AlO4 四面体组成 .
分子筛的功能和用途 离子交换功能 吸附功能 分离功能 催化功能
A型沸石的结构骨架
构成硅铝沸石分子筛骨架的最基本结构单元是硅氧四
面体(SiO4)和铝氧四面体(AlO4)，在磷酸铝分子筛中，则为 磷氧四面体(PO4)。在这些四面体中，硅、铝和磷都以高价 氧化态的形式出现，采取SP3杂化轨道与氧原子成键。由 于硅或铝的原子半径比氧原子半径小得多，因此，它们处
在以高岭土为原料时，首先必须将高岭土活化，即在 750~900oC条件下灼烧脱水形成偏高岭土。偏高岭土在一定 的碱性和硅铝比的条件下，于100~150oC水热处理4～6h， 即可得到晶体结构不同的A型分子筛；Y型分子筛则反应条 件比较苛刻，硅铝比也要以高模数的水玻璃配制。
以高岭土为原料制备分子筛的优点是高岭土的硅铝比和 A型分子筛的硅铝比相近，因此分子筛的硅源和铝源可以由 同一种天然黏土矿提供，可以避免使用纯度高的单组分原 料，降低了生产成本，提高了黏土矿的应用领域和产品的 价值。
1993年，美国一个多孔材料研究工作组曾确立了以下10 个方面作为多孔材料在工业生产上的可能应用：a. 高效气 体分离膜； b. 化学过程的催化膜；c. 高速电子系统的衬底 材料；d. 光学通讯材料的先驱体；e. 高效隔热材料； f. 燃 料 电池 的 多 孔电 极 ； g. 电 池 的 分离 介 质 和电 极 ； h. 燃料(包括天然气和氢气)的存储介质；i. 环境净化的选择 吸收剂；j. 可重复使用的特殊过滤装置。
根据孔径的大小，可筛选分子，称沸石分子筛。
由于沸石分子筛的孔道一致，故对分子的选择性强，不同于 活性炭，见下图的对比。
吸附量
吸附量
活性炭
分子半径
沸石分子筛
分子半径
石油工业上广泛使用沸石分子筛做催化剂或催化剂载体。
硅铝分子筛 (Molecular sieves)
A型沸石 Na2O ·Al2O3·2SiO2·5H2O