多孔材料應用研究*

張 瑩

(齊齊哈爾工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

在金屬有機骨架和生物材料等多孔材料進行復合材料的合成時，考慮到在合成催化化學和電化學催化反應中影響反應的重要問題，采用了限定涂覆和電化學催化作用的方法。通過界面工程和模板摻雜合成催化劑。催化穩定性，活性部位及催化活性的觀點而且，導電率提高了能量轉換和存儲裝置的材料。在環境方面，有機污染物的分解和重金屬離子的還原可以迅速和有效地實現。壓力基于調節后的物質機制，分析了機構中調節方法的特定形式。因為壓力復合多孔材料的特性有助于電極催化劑和化學催化作用中的約束，選擇特定的復合成分制備復合多孔催化劑。依據多孔材料的這些特性能夠更好的進行多孔復合材料的制備，進而拓寬了多孔材料的應用領域。

1 多孔材料的分類

1.1 生物炭類

碳材料是多孔材料中比較常見的一種，應用范圍也非常廣，在生產中已經占據了不可替代的作用，其以耐酸堿腐蝕、耐高溫、敏感的導電性、敏感的傳熱性、結構具有極好的穩定性等優點，在應用領域中得到了良好的反饋。生物炭的原理主要是在無氧環境下以高溫熱解生物質而得到的一種固體材料，這種材料來源于自然界中，是非常普遍的，且成本相對較低，更加環保，在應用方面以多孔、表面積較大能夠發揮很好的修復效果[1]。例如，拇指纖維素類別生物質組成為纖維素、半纖維素和木質素，在高溫熱解制備生物炭過程中，三種元素表現除了不同的過程，主要是因為三種組成物質的結構的差異。而使用催化物質來輔助制備過程是必不可少的，催化劑能夠改變生物質高溫熱解物質的反應靈敏度，進而強化裂解的反應，降低生物油產率。高溫分解法外，還有化學活化法、水熱碳化法等，都是工業制備生物炭選擇的主要方法。

1.2 金屬類

金屬類主要是有機骨架多孔材料，其也是集聚了多孔而導致表面局增大的晶體材料，是金屬原子簇作為組成單元，通過有機配體的連接而成的[2]。該種材料的晶體結構和多孔結構提供了合成后的應用性，這也是多孔材料的主要特點。過程中利用控制有機配體和合成的條件變量來控制空隙的密度或者大小，進而產生不同類型空隙排列的多孔材料，在應用上更加契合實際應用。骨架結構和空隙通道促進了能量的傳導，在發展過程中已經成功合成多種類別的金屬骨架多孔材料，進而拓展了應用的領域，在應用過程中也體現出了良好的適應性。主要原理為金屬原子簇為單元時在固體材料內形成周期性的拓撲結構，再通過配體單元使得材料的拓撲結構發生變化，進而形成不同的空隙，而這種變化取決于金屬有機骨架結構和所選擇的配體單元，進而操作性更加靈活。

2 多孔材料的特征

2.1 金屬有機骨架復合材料的多孔合成

在研究過程中，金屬有機骨架符合材料可與多種其他無機材料復合而形成的復合材料很具有應用價值，其主要是能夠發揮金屬無機骨架的可控空隙排列特性很好的制造了更大的表面積，在此基礎上也能夠保留另一種復合材料的屬性，進而能夠發揮兩者的特性拓展應用的領域[3]。此外，多孔復合材料的孔洞制造了催化劑的流通通道，能夠將催化劑順暢的送到各個位置，進而促進金屬原子簇的進一步裂解成為更小的單位，例如，納米顆粒復合材料就能夠與金屬有機骨架復合材料很好的合成多孔材料。主要方法有：浸漬法是充分利用固體浸漬到金屬時候，在液體物質與孔洞發生擴張到孔洞的各個位置，能夠最大限度的挖掘材料的吸附量的上限，而形成一種新的復合型多孔材料；溶劑法是金屬有機骨架復合材料內部的孔洞具有與水性溶劑相互吸附的能力，進而形成的一種新的合成多孔材料。

2.2 生物炭復合材料的多孔合成

生物炭屬于無規則形狀的碳物質，由微粒子和孔隙組合而成的，具有不規則結構和足夠的表面積。微粒子主要是類石墨微晶體物質，是生物炭的的組成基本單位，這些組成單位組合到一起就形成了孔洞結構，在表面積方面能夠滿足使用的需求，進而形成了多孔材料的吸附功能。而在合成的過程中使用的方法不同及合成的物質不同會導致形成的多孔材料的不同，新多孔材料所具有的特征也有差異。在合成的多孔材料中，主要的區別在于形成的多孔結構的排列不同，以及表面積的大小不同，生物炭在此基礎上對孔洞進行吸附填充，填充完成后需要對分子進行修飾以形成新的作用力，所以對生物炭復合多孔材料的孔洞結構和表面積設計要求是較為苛刻的，無論制備方法是物理方法還是化學方法都需要特別注意設計的要求，無論設計怎么變化都是需要符合表面積最大化的特征方能發揮生物炭復合材料的吸附能力。

2.3 多孔復合材料的結構及特征

孔結構和表面積決定了與應用領域的擴大密切相關的應用能力。由于特殊的多孔結構，多孔材料表面積高，孔隙率高，流動性好，具有高質量的吸附能力和許多其他高性能，因此在許多領域具有良好的應用價值。多孔材料的應用研究和結構特性密切相關。多孔材料的孔結構特性可以分為孔徑、孔徑分布、孔形態和孔通道特性。通過使用X射線小角衍射，氣體吸附和其他測量技術的一些常用方法，以及多孔材料測量結果的結構特性，提高了合成成功率和實用值。基于多孔材料的特性設計，使用小角X射線檢測介孔材料的孔陣列的密度，并且孔的規則排列在小角區域產生相應的衍射峰。由于小角度X射線的一些層狀化合物的層間隔非常大，因此僅能夠確定介孔材料的孔順序，并且存在與小角度區域對應的衍射峰。

3 多孔材料的應用性能優化方法

3.1 提升多孔材料的負載能力

考慮到化學催化和電極催化中不同催化劑的作用效果不同，催化劑合成的合理設計和控制可以解決這些問題[4]。首先，小規模和高活動催化劑的使用最簡單和方便的方法是保持高循環和持久性，基礎之上提出強化負載能力。其次，負載催化劑的制備戰略極力抑制催化劑的活性，防止循環中催化劑的凝集和耐久性試驗，降低活性。最后，被修飾的載體可以具有輔助催化劑的催化作用或限制效果以提高催化活性。修飾支撐體的存在不僅能提高催化劑的循環性能，還能提高催化活性。這也表明載波對于控制負載樣本的粒度是有用的。由于載體的存在，可以提高催化劑的循環穩定性，提高催化劑的活性，是催化劑設計中是非常重要的優化措施。

3.2 強化催化劑的傳導能力

催化劑在電化學化反應中使用時，不均勻催化劑的導電率是限制電極催化性能的重要因素。為了實現電解質高的催化活性，催化劑具有良好的導電性。在電流的作用下，在支撐催化劑或電解質的界面上形成特殊的屏障。而且，它減少了電轉換的能量轉換速度。由于低導電率阻礙電極與催化劑之間的反應界面處的電子的傳遞，所以會影響催化過程的催化劑與電解質、自由基等的相互作用，顯著地降低電極催化劑的催化性能。即使催化劑具有良好的導電性，通過在長期電流作用下與羥基、羥基和其他基團接觸，也容易在催化劑界面形成金屬氧化物等其他物質的導電層，因此，物質的生成降低了材料的導電性。特別是在催化反應中，使用更好的材料能夠提高催化劑的催化性能，強化催化劑的傳導能力是非常重要的[5]。

3.3 激活更多的活性點位的覆蓋能力

催化劑的活性部位可以通過在多孔材料支撐體上分配催化劑來進一步活化，但活性部位的位置沒有根據催化劑自身的特性而變化，催化劑是用于強化活性部位的關鍵介質[6]。通過改變催化劑的使用方法，提高覆蓋活性位點的能力，可以提高多孔材料的應用性能。通過制備具各種類型的金屬有機骨架復合材料的多孔材料，測試了不同于各種晶體結構的金屬有機骨架復合材料的組成對催化性能的影響。在金屬有機骨架復合材料的熱處理過程中，在幾種物質的作用下產生的四氧化三鐵化合物的結構導致金屬中的微妙變化，并促進形成更高的能級密度。主要原則是促進四氧化三鐵的材料和核心之間的電子轉移，在此基礎上，改進了合成反應中的催化劑活性位點和催化反應的能力，進而完成多孔材料的活性點為的覆蓋能力優化。

4 結 語

在多孔材料應用過程中，通過提升多孔材料的負載能力、強化催化劑的傳導能力、強化催化劑的傳導能力來優化多孔材料的應用性能，從制備的合成材料控制到催化劑作用強化挖掘，以及制備過程的控制來實現提升多孔材料的應用能力。從孔洞結構著手，增強孔洞結構排列的科學、合理性，來增加表面積進而實現吸附能力的強化。針對增加的表面積以激活活性點的覆蓋覆蓋面積來強化吸附能力，進而根據不同的材料特性進行合成以賦予新的屬性來適應新的應用領域。