多孔材料不僅在吸附和催化方面前景廣闊，在電子材料、光收集和能量傳遞中作為質(zhì)子導(dǎo)體以及在諸如分子傳感等應(yīng)用中頗具潛力。未來一段時(shí)間，多孔納米材料的應(yīng)用范圍有望在未來有大的突破。

沸石或活性炭之類的商業(yè)化材料，不僅充當(dāng)催化劑或吸附劑，而且還可以加工成其他形式（例如顆粒）。價(jià)格低廉，生產(chǎn)容易，也賦予它們極強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)競爭力。多年來，研究人員試圖對(duì)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)多種組合功能，發(fā)現(xiàn)這確實(shí)是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

然而，并非所有功能都可以通過商業(yè)材料得到滿足。因此，探索新型多孔材料，其重要性不言而喻。

有鑒于此，英國利物浦大學(xué)Anna G. Slater 和 Andrew I. Cooper等人對(duì)新型多孔材料的功能導(dǎo)向設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜述。

圖1.多孔固體的類別和所選功能匯總圖

十年磨一劍

在過去的10年中，除了MOF，COF和多孔聚合物網(wǎng)絡(luò)外，還出現(xiàn)了其他種類的分子多孔固體，例如具有固有微孔性的聚合物和多孔有機(jī)籠。因此，多孔固體的可能功能范圍比以前寬得多。例如，共軛微孔聚合物和某些COF具有延伸的共軛結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在沸石或MOF中不存在，并導(dǎo)致形成多孔有機(jī)光催化劑和電子材料。

為沸石、MOF和COF開發(fā)的晶體工程方法不能直接應(yīng)用于無定形固體（例如多孔聚合物），但是類似的模塊化策略已可以通過選擇適當(dāng)?shù)姆肿訕?gòu)件來控制諸如孔隙率和電子帶隙之類的功能。結(jié)構(gòu)和功能的計(jì)算預(yù)測的飛速發(fā)展提供了一種策略，可以用于識(shí)別特定應(yīng)用的較佳多孔材料，例如通過對(duì)假設(shè)的MOF中氣體吸附進(jìn)行大規(guī)模的篩選。

2004年，曼徹斯特大學(xué)的P. M. Budd等人率先報(bào)道了本征微孔聚合物（PIM）的合成和相關(guān)性質(zhì)，為多孔材料的爆發(fā)點(diǎn)燃了引線。

P. M. Budd et al., Polymers of intrinsic microporosity (PIMs): Robust, solution-processable, organic nanoporous materials. Chem. Commun. 2004, 230–231 (2004). doi: 10.1039/ b311764b; pmid: 14737563

2005年，北卡羅來納大學(xué)的C. D. Wu等人報(bào)道了手性MOF用于對(duì)映選擇性催化結(jié)構(gòu)。密歇根大學(xué)的A. P. C?té等人報(bào)道了共價(jià)有機(jī)框架（COF）結(jié)構(gòu)。凡爾賽大學(xué)圣奎因伊夫林分校的G. Férey等人報(bào)道了高孔隙率MOF結(jié)構(gòu)。

C. D. Wu, A. Hu, L. Zhang, W. Lin, A homochiral porous metalorganic framework for highly enantioselective heterogeneous asymmetric catalysis. J. Am. Chem. Soc. 127, 8940–8941 (2005). doi: 10.1021/ja052431t

A. P. C?té et al., Porous, crystalline, covalent organic frameworks. Science 310, 1166–1170 (2005). doi: 10.1126/ science.1120411

G. Férey et al., A chromium terephthalate-based solid with unusually large pore volumes and surface area. Science 309, 2040–2042 (2005). doi: 10.1126/science.1116275

再接著2007年，陜西師范大學(xué)的J.-X. Jiang等人報(bào)道了共軛微孔聚合物（CMP）。

J.-X. Jiang et al., Conjugated microporous poly (aryleneethynylene) networks. Angew. Chem. Int. Ed. 46, 8574–8578 (2007). doi: 10.1002/anie.200701595; pmid: 17899616

經(jīng)歷了初始幾年的集中爆發(fā)，進(jìn)入21世紀(jì)的第二個(gè)十年，MOF和COF成為目前多孔材料研究的熱點(diǎn)。

圖3.功能性多孔材料的重要進(jìn)展

總體來說，本文主要講述了以下內(nèi)容。

1）多孔材料分類：

對(duì)多孔材料進(jìn)行分類的方法很多，其中一種方法是通過其遠(yuǎn)程有序程度及其分子間鍵合強(qiáng)度來分類，這些參數(shù)會(huì)影響多孔材料的具體性能。譬如，遠(yuǎn)程有序程度在分子篩應(yīng)用中可能有用，而強(qiáng)大的分子間鍵則可以促進(jìn)化學(xué)或熱穩(wěn)定性。

圖2.多孔固體的功能分類示意圖

2）各種材料的優(yōu)缺點(diǎn)：

每個(gè)材料的相對(duì)優(yōu)勢都取決于具體的應(yīng)用，所有這些性質(zhì)都將與已確定的材料進(jìn)行比較?？紤]活性炭是另一種重要的多孔材料，此處未列入對(duì)比。

3）原子尺度和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從各個(gè)功能的角度考慮，研究了在原子級(jí)設(shè)計(jì)新的多孔固體的能力，以及如何將這些設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于實(shí)際的工程系統(tǒng)中。在這些系統(tǒng)中，無論是通過材料還是系統(tǒng)設(shè)計(jì)都必須同時(shí)優(yōu)化多個(gè)特性，同時(shí)還要減少不希望出現(xiàn)的特性。

圖4.多孔分子有機(jī)材料中功能性模塊化編程示意圖

圖6.利用計(jì)算機(jī)從分子層面構(gòu)建單元進(jìn)行功能預(yù)測的示意圖

4）如何實(shí)現(xiàn)綜合性能的權(quán)衡

多孔材料在膜、吸附劑、催化劑和其他化學(xué)應(yīng)用中扮演一個(gè)非常重要的角色。但是，要使這些材料在工業(yè)規(guī)模上得到更大的應(yīng)用，除了研究孔結(jié)構(gòu)和表面積之外還必須優(yōu)化其他多種功能，例如穩(wěn)定性、吸附動(dòng)力學(xué)、可加工性、機(jī)械性能和熱性能。

圖5.使用高通量計(jì)算探索甲烷存儲(chǔ)和輸送的極限示意圖

5）如何選擇合適的多孔材料

多孔材料千差萬別，目前還沒有有個(gè)通用的解決方案。因此，為特性的應(yīng)用場景選擇合適的多孔材料也是一個(gè)艱難的任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

Anna G. Slater and Andrew I. Cooper, Function-led design of new porous materials, Science, 2015

DOI: 10.1126/science.aaa8075

http://science.sciencemag.org/content/348/6238/aaa8075

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