晶态多孔材料合成方法的研究进展

摘要：本文对晶态多孔材料的合成方法进行了较全面的综述。通过对传统水热/溶剂热、离子热、微波等合成手段的理论和局限性进行系统研究，并对其在力化学、微流控、高压均质等方面取得的突破性进展进行系统分析，揭示其制备工艺与材料性质之间的内在关系，提出宏量合成的新思路，为该类材料的进一步研究和应用奠定基础。

关键词：晶态多孔材料；合成方法；传统方法；新兴技术；性能调控

晶态多孔材料因具有特殊的孔道结构、高的比表面积和可调控的功能性等特点，在气体储存、分离纯化、非均相催化、药物缓释等方面显示出重要的应用前景。晶态结构和性质与其制备工艺密切相关，开展晶态孔材料的制备技术研究是推进其基础研究和产业发展的关键。近年来，随着材料科学及相关学科的飞速发展，晶态多孔材料的制备方法也在不断创新。

一、传统合成方法

（一）水热/溶剂热合成法

水热/溶剂热合成方法是一种利用水或有机溶剂作为反应介质，在密闭的反应器中，通过控制反应温度和压力，使其与有机配体等发生化学反应，生成晶态多孔材料。该方法通过对反应温度、压力、时间、反应物浓度等条件的精准调控，实现对结晶度和结构的有效调控。比如，在制备金属有机骨架（MOFs）的过程中，通过控制反应温度，可以控制结晶的生长速度和大小，使其在低温条件下可以得到尺寸更小、更规整的晶体。但是，该方法具有显著的缺点，即反应周期长（几个小时到几天），能量消耗大，而且很难实现规模化、连续化，制约了它的工业化应用[1]。

（二）离子热合成法

离子热合成法是利用离子液体为反应介质，利用其较低的蒸气压、较高的热稳定性和较好的溶解性，并能起到导向和模板的作用，从而影响材料的孔道结构。比如，在制备类沸石晶态的过程中，通过引入特殊的离子液体，使其在孔道中形成特殊的拓扑结构，使其具备特殊的吸附、催化等性质。然而，由于其高成本、难以回收和处置，使得其制备成本大大提高，且目前仅限于实验室基础研究，难以实现规模化产业化。

（三）微波合成法

微波合成法是一种利用微波与反应物分子发生作用而产生的热作用来快速、均匀地加热体系的方法。与传统的加热方法相比，该方法可以大幅度地缩短反应时间，一般只需几分钟到几十分钟就可以完成，大大提升了合成的效率。此外，该方法还可以提高纳米晶的形态及结晶性，制得粒径分布均匀、分散均匀的纳米晶。比如，在制备共价有机骨架（COFs）的过程中，利用微波辐照可以加速单体的快速聚合，避免聚集，从而获得高结晶性能的材料[2]。但是，这种方法要求专用的微波设备，设备投入高，而且现阶段很难达到规模化、连续化的目的。

二、新兴合成方法

（一）机械化学合成法

机械化学合成法是利用机械作用力，如球磨、研磨等，在机械力的作用下，将金属离子和有机配体等固态物质进行化学反应，形成晶态多孔材料。该方法不需要有机溶剂，与绿色化学思想相一致，反应速度快，操作简便。比如，在合成 MOFs的过程中，金属盐与有机配体可以通过机械研磨实现，从而实现对目标产物的定向转化，避免传统的溶液法制备所需的溶剂消耗及后续的脱除步骤。但由于受外力的影响较大，反应条件难以精准调控，易出现结晶度低、结构缺陷多等问题，需对反应工艺及装备进行进一步优化。

（二）微流控合成法

微流控合成是在微流控芯片上完成反应的一种新方法，它通过对反应物在微流道中的流速、流速、混合比例、反应时间等进行精细调控，从而达到对材料制备的精细调控。该方法能够制备出尺寸均一、形貌规则的晶态多孔材料，在纳米级材料合成方面具有独特优势。例如，利用微流控技术可制备出粒径在几十纳米到几百纳米之间、单分散性良好的 MOFs 纳米颗粒。在此基础上，通过调节微流控芯片的结构及反应条件，实现对其孔道结构及表面特性的有效调控。然而，由于微流控芯片制备过程繁琐、价格昂贵、批量生产效率低等问题，制约了其规模化应用。

（三）高压均质化合成法

高压均质化合成法是将反应物溶液在高压下通过微小的均质阀孔径，利用强剪切、碰撞、空化等因素，促进反应的迅速进行，从而制备出具有较大孔道的晶态材料。该方法能够有效克服传统方法中传质传热效率低、反应时间长等问题，可实现多种晶态多孔材料的大规模连续合成。例如，利用高压均质化技术合成 MOFs 材料，产量可达每小时数千克甚至更高 。同时，高压均质化过程还能对材料的粒径和形貌进行调控，制备出粒径更小、分散性更好的材料。目前，该方法已在部分领域展现出工业化应用潜力，是极具前景的大规模合成技术之一。

三、合成方法与性能调控的关系

（一）孔径和孔结构调控

不同的合成方法会导致其孔径尺寸及孔结构发生明显变化。在水热法/溶剂热法合成过程中，通过调节模板的种类、用量、反应条件等，实现孔径尺寸与分布的精准调控。比如，以不同链长度的表面活性剂为模板，可以合成不同孔径的 MOFs。在微流控合成方面，可以通过调节微流道的大小及流动参数，获得特定的通道形态及连通性。通过对材料孔径大小的调节，实现与目标分子大小的有效匹配，可大幅提升其在气体分离、催化等领域的分离性能及催化活性。

（二）表面功能化

在制备过程中，通过在材料表面引入各种功能基团，可以有效地调控材料的表面性能。在离子热合成中，可以将功能基团引入到离子液体中，将其嫁接于材料的表面。通过对其进行表面修饰，可以增强其对特定目标物的选择性，例如用于气体吸附、分离等方面。同时，表面功能化还能改善材料的催化活性，例如在催化反应中，特定官能团可作为活性中心，促进反应的进行。

四、大规模合成与工业应用的探索

晶态多孔材料的大规模合成是其工业化应用的重要一步。超高压均质制备方法具有明显的规模化优势，目前已有工业化制备方法，产量可达0.96-580kg，满足了一些行业的需要[3]。另外，通过对水热反应装置的改进，提高离子液体的循环利用效率，对其规模化制备具有重要的意义。在工业化应用中，晶体状多孔材料已经在氢气储存、二氧化碳捕获、石化催化等领域得到了初步的应用。但是，要实现其规模化应用，还需要解决成本控制、产品质量稳定和过程放大等方面的问题。

五、结论与展望

晶态多孔材料的合成已由传统向新兴方向发展，为其结构设计与性能优化开辟了多种途径。传统的合成方法虽然得到了很大的发展，但仍然在一些领域的基础研究以及应用中扮演着重要的角色。而新颖的合成方法与新颖的研究思路，更是在材料合成领域取得了重大突破，显示出了极大的发展前景。未来，晶态多孔材料合成方法的研究将朝着绿色化、高效化、规模化方向发展。一方面，发展更环保的合成方法，降低环境污染；另一方面，强化合成方法的精细调控，实现材料结构与性能的精准设计。同时，促进其工业化应用，降低成本，提升产品品质，拓展其应用领域。

参考文献：

[1]孙道峰，晶态多孔材料的设计合成及其性能研究.山东省，中国石油大学（华东），2017-03-10.

[2]包亚莉，王红，梁浩东，等.新型硅基分级孔材料的制备及其孔隙结构[J].天津大学学报（自然科学与工程技术版），2021，54（11）：1151-1158.

[3]陈俊畅，张明星，王殳凹.晶态多孔材料合成方法的研究进展[J].化学学报，2023，81（02）：146-157.