网站原创摘 要 ：介孔材料具有良好的热稳定性、较好的水热稳定性、规则外形和巨大的表面积,被广泛应用在各个领域.文章介绍了介孔材料的分类、结构特点、合成机理和应用前景.
关 键 词 ：介孔材料；硅基材料；合成机理；结构特点；应用前景
当今世界的新技术革命进行的如火如荼,尤其在新型材料这一方面更是风起云涌,在不断被科学家开发和发现的新型材料中,多孔材料一直被世界各国科学家们广泛关注,由于多孔材料具有多孔结构,而且拥有巨大的表面积,被广泛应用在各个领域.
1.介孔的定义和结构特点
最初人们根据材料的吸附功能定义了多孔材料,后来,科学家利用孔的不同来区别多孔材料,根据多孔材料中孔径尺度来分辨,将多孔材料定义三种类型：孔径大小在2nm以下的多孔材料被定义微孔材料；介于2nm与50nm之间的被定义为介孔材料；大于50nm的多孔材料被定义为大孔材料.常见的多孔材料孔径分布见表1所示.
表1 多孔材料的分类及其实例
与经典的微孔分子筛相比,介孔材料具有特殊的优点,不仅拥有相对较大的孔径,同时比表面积和孔壁厚度也表现出众,而且具有更强的稳定性；介孔材料孔道的大小在一定范围内连续可调,可用作纳米级的反应场所.
介孔材料是以表面活性剂作为模板剂,通过乳化或微乳、溶胶--凝胶等化学方法,利用无机物和有机物两者间的界面作用,从而组装生成的无机介孔材料.
介孔材料的主要特征有以下几点：具有规则的孔道结构,在X射线衍射图谱上的低角度方向有强的Bragg衍射峰存在；孔径的分布窄,孔径的大小可以在1. 5～10 nm 之间进行调节；具有极大的比表面积,可以高达1 000 m2/ g；通过把合成条件优化或者经后续处理,介孔材料具有良好的热稳定性和较好的水热稳定性；介孔材料具有规则外形,并且可以在微米尺度内保持高度良好的孔道有序性；在介孔材料的表面富含大量的不饱和基团.
2.介孔材料的分类
按照化学组成来对介孔材料进行分类,可分为硅基和非硅基介孔材料两个大的种类.例如研究最多的硅基介孔材料MCM系列；非硅基介孔材料主要包含过度金属的氧化物、硫化物和磷酸盐等,例如TiO2、ZnS、Al2O3、磷酸铝铬和磷酸铝铬锆.这些材料一般能够存在多种可变的价态,有着广泛的应用前景.
在1992年,美国首次用在反应体系中添加表面活性剂的方法,成功获得了有序硅基介孔分子筛,开创了材料科学新领域.研制的介孔分子筛具有许多优点,例如：排列有序的结构,规则的介孔孔道分布,大小均一切连续可调节,以及牢固的骨架；而且,这种材料与沸石分子筛相比而言,介孔分子筛相对具有较大的孔径,并且还拥有相对较大的比表面积（约l000m2/g ）,更大的孔容（0.8cm3/g）和孔径的尺寸大小可以通过改变实验条件来大范围的调节等.因此,该材料被世人发现后,便引起了很多从事催化、吸附、分离等很多领域的科研工作者的极度重视.
继硅基材料之后,以过度金属氧化物为支撑的骨架的介孔分子筛在不同的时间发现,为介孔家族添加了不少的色彩.非硅基介孔材料是众多科学家的研究热点,这些介孔材料除了可以起到吸附和分离以及催化剂载体等作用以外,还能够在电、光、磁等领域发挥独特的作用.
按照结构是否有序对介孔材料进行分类,可分为有序和无序介孔材料两个大类.在无序介孔材料方面,孔径的大小范围变化较大,孔道形状相对来说很不规则.上世纪90年代初,开发了一种新型纳米结构材料,即有序介孔材料,这类介孔材料的孔道形状规则,结构排列方面相对有序,而且孔径的大小相对均一,并且可以改变实验条件让介孔材料在一定尺寸大小的范围内连续调动,例如SBA系列介孔二氧化硅材料,以及非硅基的二氧化钛、二氧化锰等半导体类型的有序介孔材料.
有序介孔材料孔道的孔型分3种类型：平行排列的层状孔型,定向排列的柱形孔型,三维规则排列的多面体孔型.而无序介孔材料的孔型,结构和排列都相对错综复杂、没有规律,并且孔道之间互为连通.
3.介孔材料的合成机理
介孔材料在模板剂的使用方面和微孔材料相比,最大的区别是微孔材料以单个有机小分子作为模板剂,而介孔材料以超分子作为模板剂,是表面活性剂作用下形成此结构的.
无机硅源和模板剂是介孔材料合成的两种关键性的原料,而介孔材料的合成原理全部都是围绕两者的反应展开的,液晶模板机理是科学工作者最早提出来的一种合成机理.
通过自组装效应而结合生成的介孔材料,合成机理主要是表面活性剂具有的模板效应发挥着重要作用,比如说电荷匹配机理、液晶模板机理、棒状自组装模型,除此之外还有通过使用非离子表面活性剂来合成介孔材料等效应.这些模型大多认为,在溶液中反应时,通过表面活性剂来引发诱导无机前驱体的反应,即自组装行为.然而,在不同的合成方法和合成线路,所运用的原理并不完全相同,这是因为无机前驱体与表面活性剂之间的反应机理不尽相同.
介孔材料的形成机理有两种代表性的观点.第一种是液晶模板机理,这是Kresge等在1992年提出,通过这种方法一步合成了中孔分子筛系列材料M41S,这种中孔分子筛系列具有细小的孔径分布和规则的孔道结构两大特点.该机理认为,表面活性剂在反应环境下先通过反应,自身合成大量的棒状胶束,然后再形成液晶,然后再往反应体系中加入硅源物种,通过静电作用与有机模板剂结合形成规则的无机墙,再经过焙烧、萃取等方法将体系中的模板剂去除,便留下了具有介孔孔道结构的介孔材料.
第二种是电荷匹配机理.就是有机离子与无机离子在界面处的电荷相互匹配,虽然使用的表面活性剂的量小于棒状胶束,但仍可形成介孔结构.因为在合成过程中,占据主导作用的是离子之间的经典作用力.当使用的表面活性剂带有电荷时,多电荷的聚硅酸根离子首先活性剂的配位反离子与进行离子交换.这些硅酸根离子能够同时与几个表面活性剂离子进行键合,并将表面活性剂亲水头基之间的静电斥力屏蔽,从而在较低浓度下诱导并促使表面活性剂棒状胶团的成型,并按照一定的方式（六方堆积的方式）进行排列,从而形成介孔结构. 科学家对介孔材料的研究在不断深入中,在现今所能查到的各种文献中,都认同：模板剂和无机源物种的自组装在介孔材料的合成过程中起着重要作用.
4.介孔材料的应用前景
4.1 催化
催化作用是介孔材料最初的主要研究目标.相对于微孔材料来说,介孔材料较大的分子孔径扩大了反应的范围,而且具有良好的环境,利于活性中心的接触；同时,介孔材料的孔径大小连续可调,这就导致了具有极强的可选择性.
4.2 择形吸附与分离
介孔材料属于纳米级材料,具有极大的比表面积,同时拥有极其优良的表面凝缩特性,对不同类型的分子,根据不同的特性具有选择性分离和择形吸附的作用,这使得在组装和吸附等方面具有良好的潜能.
4.3 纳米反应器
介孔材料,具有大量的孔径,是一个理想的反应场所,由于孔道是纳米级别的,而且具有高度有序的结构,孔道分布均一,孔径大小在一定的范围内连续可调,孔壁的厚度也是纳米级别的,孔径内的孔道空间可以用作纳米级别的反应器.
4.4 半导体传感和生物传感
介孔材料具有很多优良性能,通过对介孔材料的组装,掺入生物大分子或者是半导体,从而实现生物传感和对气体的半导体传感作用,如铝磷酸盐薄膜介孔材料,在雷达磁传感定位等方面有巨大的利用价值.
4.5 电容、电极、储氢材料
介孔材料具有极其规则的孔道结构,适合粒子在孔道内的迅速扩散,利用这个性质能够制得超电容电极材料.