2.1　多級孔材料概述

目前，盡管不同孔徑尺寸的多孔材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計和形貌調(diào)控等方面取得了很大的進(jìn)展，然而微孔、介孔和大孔材料在許多應(yīng)用領(lǐng)域各有優(yōu)缺點(diǎn)。例如微孔材料因其具有較小的孔道尺寸、較高的水熱穩(wěn)定性、較窄的孔徑分布以及較多的催化活性位點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)δ承┎牧线M(jìn)行分子級別的篩選。微孔材料可以根據(jù)孔徑本身與分子直徑大小的匹配程度來控制分子的出入，而有機(jī)大分子或生物大分子由于其尺寸相對微孔過大而很難在其孔道內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散與傳輸，使其不適用于大分子化合物的分離和催化反應(yīng)等。微孔材料的上述特點(diǎn)限制了其只能應(yīng)用于涉及小分子的領(lǐng)域。介孔和大孔的引入解決了微孔材料孔徑尺寸小的限制問題，介孔材料和大孔材料不僅具有可以提供物質(zhì)進(jìn)行催化和吸附作用時所需要的孔尺寸與結(jié)構(gòu)，而且還提供了物質(zhì)傳輸過程中所需要的較大孔道結(jié)構(gòu)。大孔結(jié)構(gòu)對大分子具備良好的運(yùn)輸性質(zhì)，尤其是對于微孔無法傳輸?shù)木酆象w、生物大分子或高黏度系統(tǒng)，大孔的運(yùn)輸優(yōu)勢尤為明顯。

多級孔材料是具有兩種或兩種以上不同孔徑結(jié)構(gòu)的一種新型多孔碳材料。最初是人們在合成大孔材料過程中，發(fā)現(xiàn)大孔材料具有足夠厚度的孔壁，而后通過各種策略設(shè)計合成出孔壁由介孔或微孔組成的大孔材料，使得多級孔材料作為一種新興材料真正成為多孔材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。根據(jù)孔徑分布和類型，多級孔材料可以是二級孔，如（Ⅰ）微孔-介孔、（Ⅱ）微孔-大孔、（Ⅲ）介孔-大孔，也可以是（Ⅳ）微孔-介孔-大孔同時存在的三級孔結(jié)構(gòu)。此外，多級孔材料體系中還可以包括同種類型但是不同尺寸的同級孔結(jié)構(gòu)，比如微孔-介孔-介孔復(fù)合孔材料、介孔-介孔-大孔復(fù)合孔材料。典型的多級孔材料的分類示意圖如圖2.1所示。

圖2.1　多級孔材料的分類示意圖

多級孔材料可以綜合各級孔材料的優(yōu)點(diǎn)：一方面，微孔和介孔對客體分子的大小和形狀具有選擇性，提高主客體分子之間的相互作用；而大孔結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)客體分子擴(kuò)散到活性位點(diǎn)，對于大分子的擴(kuò)散非常重要。另一方面，微孔和介孔能夠保持高的比表面積，相互貫通的大孔可以實現(xiàn)液體或氣體的高通透性，從而達(dá)到良好的吸附效果和分離性能。因此，多級孔材料從結(jié)構(gòu)上避免了孔徑較小時氣體和液體擴(kuò)散效率低，而孔徑較大時又會因為比表面減小導(dǎo)致吸附分離能力降低的問題。這些特點(diǎn)決定了多級孔材料具備高的擴(kuò)散性、高的吸附能力和高的接觸面積，使其在擴(kuò)散、傳質(zhì)、吸附和分離等方面應(yīng)用時具有優(yōu)越于單一孔材料的獨(dú)特優(yōu)勢。近年來，隨著研究的不斷深入，設(shè)計和開發(fā)具有可控孔道結(jié)構(gòu)的多級孔材料一直是材料科學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一。