关于多孔固体(介孔)的介绍
介孔材料——精选推荐
介孔材料介孔材料⼈类社会的进步与材料科学的发展密切相关 , 尤其是近⼏⼗年中, 出现了许多具有特殊性能的新材料, 其中介孔材料就是⼀种。
介孔材料是指孔径为2. 0~ 50nm的多孔材料, 如⽓凝胶、柱状黏⼟、M41S材料。
上世纪九⼗年代以来, 有序介孔材料由于其特殊的性能已经成为⽬前国际上跨学科的研究热点之⼀[ 3]。
从最初的硅基介孔材料到其他⾮硅基介孔材料, 各种形貌与结构的介孔材料已被制备出来。
⽬前有关介孔材料的研究还处于起步阶段, 制备⼯艺、物理化学性质尚需进⼀步开展和改进。
但是, 由于它具有较⼤的⽐表⾯积, 孔径极为均⼀、可调, 并且具有维度有序等特点, 因⽽在光化学、⽣物模拟、催化、分离以及功能材料等领域已经体现出重要的应⽤价值。
有序介孔材料具有较⼤的⽐表⾯积, 相对⼤的孔径以及规整的孔道结构,在催化反应中适⽤于活化较⼤的分⼦或基团, 显⽰出了优于沸⽯分⼦筛的催化性能。
有序介孔材料直接作为酸碱催化剂使⽤时, 能够减少固体酸催化剂上的结炭, 提⾼产物的扩散速度。
另外, 还可在有序介孔材料⾻架中引⼊⾦属离⼦及氧化物等改变材料的性能, 以适⽤于不同类型的催化反应。
众所周知,有质量的物质(⼤⾄天体,⼩⾄分⼦、原⼦) 总是存在于⼀定的空间之中,对于分⼦和原⼦⽽⾔,纳⽶尺度具有重要的意义,⼀切物理化学现象,在这个尺度得以充分展现。
如同建筑分隔了⼈类⽣活的空间,在纳⽶尺度具有空旷结构的多孔物质提供了分⼦、原⼦活动的场所。
多孔⽆机材料的最初定义源⾃于其吸附性能, 分⼦筛(molecular sieve)即得名于此,McBain于1932年提出,⽤于描述⼀类具有选择性吸附性能的材料。
因此,通常以孔的特征来区分不同的多孔材料,国际纯粹和应⽤化学协会( IUPAC)根据多孔材料孔径(d) 的⼤⼩,把多孔材料分为三类,微孔材料(microp2orous materials ,d < 2 nm) 、介孔材料(mesoporous mate2rials ,2 < d < 50 nm) 和⼤孔材料(macroporous materi2als ,d > 50 nm) ,⽽根据结构特征,多孔材料可以分为两类:⽆序孔结构材料(⽆定形) 和有序孔结构材料(⼀定程度有序) 。
110908 多孔与介孔材料(2,多孔材料基础2)
5型吸附： 型吸附：
微观图像： 微观图像： 1、低压下，与3型吸附曲线相同，吸附质与吸附 剂的相互作用较弱。2、一定压力以上时，吸附曲线陡然上升，迅 速达到饱和。
6型吸附：阶梯型吸附等温曲线，比较特殊。 型吸附：
微观图像： 微观图像：固体均匀表面上发生的谐式多层吸附的结果（均匀表 面吸附时，层内吸附质之间侧面相互作用会导致吸附质层内出现二 维凝聚，产生吸附台阶），每一个台阶代表吸满一层分子层。 实际例： 实际例：球对称非极性气体分子（氩、氪、甲烷等）在处理后的 炭黑上的吸附行为；大多数催化剂表面是不均匀的，较难观测到。
T
--- 开尔文温度。 Kelvin方程给出了发生毛细孔凝聚现象时，孔径与相 方程给出了发生毛细孔凝聚现象时， 方程给出了发生毛细孔凝聚现象时 对压力之间的定量关系。 对压力之间的定量关系。 平均曲率半径
2型吸附：S型吸附等温曲线。 型吸附：
微观图像： 微观图像：非多孔性固体表面或者大孔材料上进行单一多层可 逆吸附时的行为。因为吸附空间没有限制，出现从单分子层向多分 子层过渡的吸附结果。
3型吸附：比较少见的吸附等温曲线。 型吸附：
微观图像： 微观图像：吸附质与吸附剂的相互作用很弱且小于吸附质分子之 间的相互作用。低压下，仅吸附在表面少数活性点上，高压下，气 体分子优先以团族结构吸附在已被吸附分子周围，局部形成多分子 层吸附，没有2型吸附曲线的“平台” 实际例： 实际例：水分子在疏水活性炭上的吸附。
经典吸附理论
BET方程对 型和 型等温线的解释（P. 31-33） 方程对2型和 型等温线的解释（ 方程对 型和3型等温线的解释 ）
C = exp[(E1 − El ) / RT ]
C>2：E1»El, 2型吸附曲线 ： 型吸附曲线 C<2：E1«El, 3型吸附曲线 ： 型吸附曲线
多孔材料概述
多孔材料概述多孔材料是一种具有高度开放孔隙结构的材料，其表面具有大量的微孔和介孔，这些孔隙可以与外界环境相互作用，具有诸多特殊的物理、化学和机械性能。
多孔材料广泛应用于吸附、分离、催化、传质、过滤、吸音等领域，成为当代材料科学中的重要研究方向。
多孔材料的特点是其比表面积巨大，从而具有较强的吸附能力。
多孔材料的孔隙结构可以提供大量的吸附位点，吸附分子可以在孔隙中扩散和吸附，从而实现气体或溶液中物质的吸附和分离。
例如，活性炭是一种常用的多孔材料，其孔隙结构可以吸附有机物质、气体和重金属离子，被广泛应用于废水处理、空气净化和催化剂载体等领域。
多孔材料还具有良好的分离性能。
由于多孔材料具有独特的孔隙结构和表面化学性质，可以通过选择性吸附、分子筛效应、离子交换等方式实现对混合物的分离。
例如，分子筛是一种由多孔材料构成的固体，其孔隙结构可以选择性地吸附分子的大小和极性，从而实现对混合物的分离和纯化。
多孔材料还具有良好的催化性能。
多孔材料的孔隙结构可以提供大量的催化活性位点，加速反应物质的扩散和反应。
例如，金属有机骨架材料（MOF）是一类具有高度有序孔隙结构的多孔材料，其孔隙内的金属离子和有机配体可以形成独特的催化活性位点，具有优异的催化性能。
MOF材料已被广泛研究和应用于气体储存、分离和催化反应等领域。
多孔材料还具有良好的传质性能。
多孔材料的孔隙结构可以提供大量的扩散通道，加速物质的传质过程。
例如，陶瓷膜是一种由多孔材料构成的膜，其孔隙结构可以实现气体和液体的分离和传递。
陶瓷膜广泛应用于气体分离、液体过滤和膜反应器等领域。
多孔材料还具有良好的吸音性能。
多孔材料的孔隙结构可以吸收和散射声波，减弱声音的传播。
例如，声学泡沫是一种由多孔材料构成的材料，其孔隙结构可以吸收和隔离噪音，广泛应用于建筑隔音、汽车降噪等领域。
多孔材料具有较大的比表面积、较强的吸附能力、良好的分离性能、优异的催化性能、良好的传质性能和吸音性能等特点，被广泛应用于各个领域。
关于多孔固体(介孔)的介绍
一、一些关于多孔材料研究方面的背景及我们材料的合成、结构和优势根据国际纯粹与应用化学联合协会( IUPAC)的定义，多孔材料划分为微孔（孔径< 2 nm）材料、介孔（孔径在2－50 nm）材料和大孔（孔径> 50 nm）材料。
多孔材料的发展有个过程：（1）微孔是重要的催化和吸附材料，传统的沸石分子筛属于微孔材料，微孔分子筛材料在各种有机反应中可作为酸催化剂、碱催化剂和氧化还原催化剂，已广泛应用于各种石化工业中。
换句话说微孔已经有相当长的研究和应用历史，现在也有许多新研究、新结构材料在开发；（2）由于微孔分子筛材料孔径尺寸小于2 nm，一些大分子的物质不能进入其孔腔发生反应或在孔腔内产生的大分子不能快速逸出，从而大大地限制了其对有机大分子的催化与吸附等方面的应用范围。
近年来，多孔材料领域发展的一个重要方向正向比微孔材料孔径增大的介孔材料方向转变。
有序化的介孔材料是在20世纪90年代发展起来的一类新型分子筛，十多年来，有序介孔材料的研究以及相关的延伸领域得到了飞速的发展。
但其标志性的工作是1992年由美国的Mobil公司的科学家首次在Nature杂志上报道的采用烷基季铵盐（十六烷基三甲基溴化铵）型表面活性剂为模板，合成出孔道直径范围为2~10 nm的有序介孔材料，在化学和材料科学界引起了极大的反响，标志着介孔材料的真正诞生。
这是沸石分子筛合成史上的又一次重大突破，也是材料合成史上的一次飞跃。
他们成功地开发出一类有序介孔材料，称之为M41S系列(MCM-41、MCM-48、MCM-50)介孔分子筛材料。
M4lS系列材料具有规整的介孔结构。
孔径根据合成条件的不同可以在2~5 nm之间调节，按有序孔道的形状可分为六方有序孔道排列的MCM-41、立方有序孔道排列的MCM-48和层状排列的MCM-50[2,3]。
其结构如图1.1。
图1.1 M41S系列介孔材料结构简图Fig. 1.1 Illustrations of mesoporous M41S materials从图1.1可以看出，MCM-41具有六方对称性的二维孔道排列，MCM-48具有三维螺旋交叉孔道，MCM-50具有层状结构（不稳定、无实用价值）。
介孔材料简介
介孔材料出现与分类
介孔材料出现的标志：
1992年Mobil的科学家Kresge等人首次运用 纳米结构自组装技术制备出具有均匀孔道、孔 径可调的介孔SiO2，命名为MCM—41。
介孔材料出现与分类
立方相 MCM—48 层状结构 MCM—50
介孔材料出现与分类
介孔材料简介
07级无机 刘振濮
目录
孔材料与介孔材料 介孔材料出现与分类 介孔材料的特点 介孔材料的合成方法 介孔材料的表征手段 介孔材料的应用 介孔材料的展望
孔材料与介孔材料
微孔（micropore):孔径小于2nm
孔 材 料
介孔（mesopore):孔径2——50nm 大孔（macropore）：孔径大于50nm
介孔材料的展望
发展新的研究内容，包括合成、表征及介孔纳米结构材料性质的 转变，结合无机或有机功能材料复合、组装与杂化的理论进行研 究 对介孔纳米结构材料合成机理的认识仍是研究的热点，同时随着 计算机模拟多孔材料形成过程的进一步发展及现代表征技术手段 的提高，将有助于从分子水平或微观结构上更好的理解有机表面 活性剂-无机物骨架之间的相互作用 寻找新的模板分子，设计特殊的空间结构，为介孔纳米结构材料 的合成创造新的合成路线 通过对介孔纳米结构材料形貌的控制，制备出不同形状，性质各 异的材料 大力开展介孔纳米结构材料在催化、有机高分子分离、电子器件、 传感器等方面的实际应用。
按照化学组成： 硅基介孔材料
分为纯硅介孔材料和掺杂其他元素的介孔材料 两大类。纯硅介孔分子筛材料包括MCM、SBA、FSM、HMS、MSU等结 构。 包括碳、过渡金属氧化物、磷酸盐以及硫化物。 相对于硅基材料，非硅基介孔材料由于热稳定性较差，焙烧后孔道容易 坍塌，而且比表面积低，空体积较小，合成机制还不够完善，因此目前 对非硅基介孔材料的研究尚不如对硅基介孔材料研究活跃。但由于其组 成的多样性所产生特性，光电以及催化等，在固体催化、光催化、分离、 光致变色材料、电极材料、信息储存等应用领域存在广阔的前景，因此 日益受到人们的关注。
多孔固体的分类CellularSolidsStructureand
蜂窝
海绵
软木
珊瑚
自 然 界
人 造 材 料
泡沫塑料
泡沫陶瓷
泡沫玻璃
泡沫金属
1
前期调研
多孔固体的要素
大量的孔隙
孔隙有功能
多孔固体要具备两个要素：
1、固体中包含有大量的孔隙；
2、所含孔隙可以用来满足某种或者某些使用—性—能《或多功孔能固。体 材料》 2
前期调研
多孔固体的分类
《Cellular Solids Structure and Properties》
Project Schedule
进展情况
Works Progress
后期规划
Future Programme
谢谢聆听！
Thanks for listening！
8
前期调研
泡沫材料的应力应变曲线
Ⅲ Ⅱ Ⅰ
Ⅰ线弹性变形阶段
Ⅱ坍塌变形阶段
Ⅲ致密化变形阶段
9
前期调研
泡沫材料的动态变形过程因素
泡沫材料是一种应变率敏感的材料，这种敏感性主要是由 于泡孔结构的变形特性产生的，泡沫材料变形的局部化，微 观惯性和致密性导致坍塌应力明显提高。
10
前期调研
毕业设计具体研究方向
and Properties》
英国剑桥大 学2出0版07《年IHUaTnAMZhSayom、pNo.sAiu.Fmleocnk
Mechanical Properties of Cellular Materials》
新加坡南洋理工 大2与0结0学6构年的卢能国量兴吸出收版》《材料
6
前期调研
泡沫材料的国内研究
蜂窝材料：多边形做二维排列，像蜜蜂
的六边形巢穴那样堆积充填平面区间。
介孔材料PPT课件
孔径大于50nm
气凝胶、多孔玻璃、 活性炭
3
定义：以表面活性剂分子聚集体为模板,利用溶胶-凝胶(sol-gel)、 乳化(emulsion)、微乳化(microemulsion)等化学过程，通过有 机物和无机物之间的界面作用组装生成的一类孔径在2.O-50nm之 间、孔径分布窄且具有规则孔道结构的无机多孔固体材料。
5
介孔材料的制备
方法：水热合成法，室温法、微波合成法、湿胶焙 烧法、相转变法及在非水体系中的合成法等。 合成原材：无机物种(形成介孔材料骨架元素的物质 源)、表面活性剂(形成介孔材料的结构导向剂)、溶剂 (通常为水）
合成路线：
6
有序介孔硅材料的合成过程示意图
7
三种主要组分是： (1)用来构造孔壁结构的无机物种(前 驱体)。选择无机物种的主要依据是溶胶-凝胶化学，即 原料的水解和缩聚速度必须适当，且经过水热等处理后 缩聚程度提高。根据介孔材料骨架元素的组成，无机物 种可以是直接加入的无机盐或预先形成一定聚合度的无 机低聚体，也可以是水解后产生无机低聚体的有机金属 氧化物；(2)自组装(介观结构形成的过程)时起决定导向 作用的模板剂(表面活性剂)。介孔材料合成体系中所采 用的表面活性剂有阴离子、阳离子、非离子、两性表面 活性剂等类型；(3)作为反应介质的溶剂相。
EISA 的合成技术采用的是典型的sol-gel 化学。首先，在有机 溶剂中，硅源（TEOS）在微量酸的催化下发生预水解，生成硅 的低聚体，并与表面活性剂发生相互作用。在溶剂的挥发过程 中，硅物种进一步发生交联、聚合，表面活性剂浓度增大。在 这个过程中，表面活性剂经过了分子、胶束、液晶的不同形态， 最后，它与无机硅形成的二元液晶相被固定下来。
• 相对于传统的由上而下(top-down)的微制造技术，软 模板法在制造纳米材料方面采取了自下而上 （bottom-up）的策略。
多孔介质面密度-概述说明以及解释
多孔介质面密度-概述说明以及解释1.引言1.1 概述多孔介质是在固体材料内部存在许多连通的空隙或孔道的介质，具有广泛的应用领域，如岩石、土壤、过滤材料、多孔陶瓷等。
多孔介质的特点是具有高表面积和大孔隙度，因此其对流体传输性质有着显著影响。
多孔介质面密度是描述多孔介质中孔道的布局方式和孔道占据的表面积比例的指标。
它可以用来衡量多孔介质孔隙的分布情况和表面积大小，进而影响流体在多孔介质中的传输行为。
本文将介绍多孔介质面密度的概念和计算方法，并探讨多孔介质面密度对流体传输性质的影响。
通过对多孔介质的面密度进行分析，可以更好地理解多孔介质内部的孔道结构及其对流体运动的影响机制。
同时，本文还将探讨多孔介质面密度在各个领域的应用和未来的展望。
多孔介质面密度的研究不仅对于科学研究领域具有重要意义，还具有实际应用价值，可以帮助我们更好地理解和控制多孔介质中流体的运动规律，并推动多孔介质材料的进一步发展和应用。
1.2 文章结构本篇论文将按照以下结构进行展开：第一部分是引言部分，首先概述了多孔介质面密度的重要性和研究背景，介绍了多孔介质面密度在流体传输性质方面的应用价值。
接下来，说明了本文的结构和组织方式，介绍了各个章节的内容和目的。
第二部分是正文部分，在这一部分中，我们将首先对多孔介质进行定义和特点的介绍，探讨多孔介质的组成和结构特征，以及其在自然界和工程领域中的广泛应用。
接着，我们将详细讨论多孔介质面密度的概念和计算方法，包括常用的实验方法和理论模型。
通过对多孔介质面密度的研究，我们可以更好地理解和描述多孔介质的结构以及与流体传输性质之间的关系。
第三部分是结论部分，我们将探讨多孔介质面密度对流体传输性质的影响。
通过对多个实验和理论研究的综述，我们将总结不同面密度下流体传输性质的变化规律，并探讨其中的物理机制。
同时，我们还将展望多孔介质面密度在未来科学研究和工程应用中的潜力和发展方向。
综上所述，本文将通过引言部分的概述和文章结构，正文部分的多孔介质定义和特点以及多孔介质面密度的概念和计算方法，以及结论部分的多孔介质面密度对流体传输性质的影响和应用展望，全面阐述多孔介质面密度的重要性和研究进展，旨在为相关领域的科学研究和工程应用提供参考和指导。
多孔介质名词解释
多孔介质名词解释
多孔介质是指具有多个连续、通过的孔隙，或称为小孔、空隙的介质，随着其
纳米结构的大小和形状的不同，可演化出不同的物理性能，被广泛应用于化学工程学及材料科学的领域中。
多孔介质的性能取决于其结构特征，可以根据其内部表面积和孔隙率来进行定
量衡量。
多孔介质具有大量可渗透空气、水和其他液体的优势，结合精细控制孔隙大小、形状和弹性力学及化学特性等方面的优势，可以实现高效的对液M介的分离、过滤和催化反应。
多孔介质的应用领域极其广泛，比如，可以应用于气体吸附剂、电子芯片、膜分离工艺、催化剂和生物纳米能源等。
多孔介质的应用也使得传统的能源和化学工艺受到持续的改善，比如：它可以
有效改善能源密度，在可再生能源开发和储存方面发挥重要作用，这也就是要提高能源效率和减少能源损耗；另一方面，多孔介质可以有效增加有机分散体系的活性，在医药和农业中都有广泛应用。
因此，多孔介质对于减少能源消耗和推动部分传统行业向高效、环保、可持续
发展提供了可行解决方案，同时多孔介质的研究仍有很大的潜力，今后会发挥更大的价值，以促进社会经济的可持续发展。
多孔介质——精选推荐
多孔介质及其描述多孔介质是含有大量空隙的固体，可以从以下几个方面来定义和描述多孔介质：(1)多孔介质是多相介质占据的空间，其中的固相部分称为固体骨架，被非固相部分所占据的空间称为孔隙。
非固相部分可以是气体或液体，也可以是多相混合的流体。
(2)固相骨架和孔隙均应遍布在整个介质中。
如果在介质中任意取一个适当大小的体积元，则在该体积元内必定含有一定比例的固体颗粒和孔隙。
(3)由孔隙所占据空间的部分或大部分必须是相互连通的。
换句话说，流体应能在部分或大部分孔隙之间流动。
相互连通的孔隙空间称为有效孔隙空间，不相互连通的空间称为无效孔隙空间。
如果孔隙只在一个确定的局部空间内相互连通而与该空间之外的孔隙不连通，则对于整个空间来讲该局部空间相当于一个无效孔隙空间。
无论是天然的还是人造的多孔介质，其结构都是非常复杂和无规律的，因而不可能对多孔介质的内部结构进行精确的数学描述。
为了克服这一困难，一般是选取一个在宏观上足够小(宏观无限小)的体积来考察多孔介质的性质。
因此，对于多孔介质的描述只能通过一定意义下的平均值来进行。
对多孔介质的描述主要通过下列参数进行：1.孔隙度孔隙度定义为孔隙所占据的体积与所考察的宏观无限小体积的比值。
如果令V M代表以点M为中心的宏观无限小体积，而令V P代表V M内的孔隙所占据的体积，则在体积元V M内的平均孔隙度定义为V P与V M的比值，即φ=V P V M式中：φ为孔隙度。
在物理上，孔隙度代表单位体积中所具有的孔隙体积。
平均孔隙度φ的值与体积元V M取值大小有关。
如果V M取得足够大，孔隙度基本上与V M的变化无关；当V M取得足够小时，孔隙度将随着V M的变化而变化(图)。
孔隙度从与V M无关到随V M变化的点所对应的体积元称为特征体积元，用V M∗表示。
在物理上，V M∗一方面必须足够大，以便能包含有足够多的孔隙；另一方面，V M∗必须小于物理场的尺度，以便能代表M点处的物理量。
孔介质
一、介孔材料的研究史
介孔材料的合成始于1990年，Yanagisawa等将层状硅酸盐 材料Kanemite与长链烷基三甲基胺(ATMA)在碱性条件下混 合处理，发生离子交换作用，得到孔径分布狭窄的三维介 孔氧化硅材料。这是最早发现的氧化硅介孔材料，但由于 因其结构不够理想，当时并没有引起科学家们的注意。直 到1992年Mobil公司的Kresge和Beck等报道成功地利用阳离 子表面活性剂，为模板剂合成了孔径在1.5-l0nm范围可调 的新型M41S系列氧化硅（铝）基有序介孔材料，才为有序 介孔材料的研究吹响了号角圈。 1994年Stucky等合成了一系列含有笼结构的介孔材料，与 合成M41S介孔材料相比，他是利用双链结构的表面活性剂 在酸性条件下在室温或较低温度下短时间合成的。
四、介孔材料的应凝缩特性优良,对不同极性、不同分子结 构和不同有效体积的分子具有择形吸附和选择性分离作用,并成为 纳米组装、选择性催化等应用开发的重要基础。
2 、选择性催化
介孔材料最初的研究目标主要在催化方面。如介孔硅铝磷酸盐对 甲醇烯烃化、介孔金属铝磷酸盐对碳氢化合物的氧化分解等有催 化作用。
4 、电容、电极、储氢材料
介孔材料比表面积大,孔结构规则,利于其孔内粒子的快速扩散,有 望制得超电容电极材料。
5 、信息储运
介孔ZrO2溶胶经磷酸处理后煅烧,样品显示出较好的荧光特性, 其在光活性荧光发光方面有望获得应用。
有序碳介孔材料(OMC)高选择性富集血浆中内源性多肽的原理图
五、介孔材料的前景与展望
三、介孔材料的分类与特点
1、介孔材料分类 （1）、按照其化学组成：介孔材料可分为硅基和非硅 基两大类 （2）、按照介孔是否有序：介孔材料可分为无定形 (无序)介孔材料和有序介孔材料。 2、介孔材料的特点 （1）长程结构有序; （2）孔径分布窄并在1.5 nm~10 nm系统调变; （3）比表面大,可高达1 000 m2/g; （4）孔隙率高; （5）表面富含不饱和基团。以常见的 MCM-41为例,其主要结构参数为:孔径 约3.5 nm,壁厚约1 nm,比表面积约 1 000 m2/g,比孔容约1 mL/g。
110908 多孔与介孔材料(2,多孔材料基础2)
0.3
Pore Volume (cm3/g•nm)
气凝胶结构特征：纳米尺度颗粒 （5-30nm）在三维空间无序堆积而 成的具有三维纳米通孔结构特征的 多孔材料。
0.2
0.1
0.0 10
18 21
100
Pore Diameter (nm)
课堂作业
❖ 课堂作业题(1) 110908
1、吸附定义和分类？简述吸附的起因和作用。 2、吸附等温线的主要类型（画图表示并作简要说明） 3、简述BET吸附模型和Kelvin吸附方程，画图表示它们对应的吸附
自习P38页内容
毛细凝聚理论与Kelvin方程
❖ Kelvin方程对4型和5型吸附等温曲线的解释
BET方程作用区域：
❖ AB段：首先形成单分子吸附层；B点：单分子层吸附接近饱和；BC段：出现多分子吸附。
Kelvin方程作用区域：
❖ CD段：窄孔径的毛细凝聚吸附；CE段：宽孔径的毛细凝聚吸附；EF段：饱和吸附。
C>2：E1»El, 2型吸附曲线 C<2：E1«El, 3型吸附曲线
b
固体表面对吸附分 子作用力很强
固体表面对吸附分 子作用力很弱，吸 附分子之间作用力 强
经典吸附理论
❖ BET方程的局限
理论假设的不足 ❖ 表面均匀假设（与很多实际样品情况差异较大） ❖ 吸附定位假设（第2层吸附以后大多呈液态，没有定位吸附） ❖ 分子间作用力假设： 被吸附分子只受固体表面或者下层已吸附分子的 吸引作用，没有考虑同层相邻分子间实际存在的作用力
实际应用的不足 ❖ 能够较好解释2型，3型吸附，但不能解释4型、5型吸附 ❖ 定量解释不够准确，半定量或者定性地解释
毛细凝聚理论与Kelvin方程
介孔材料PPT课件
AMS 系列： AMS 是Che 等人采用阴离子表面活性剂作为结构导向剂，以 含氨基的硅源3-氨丙基三甲氧基硅烷（APS）和含季铵盐的硅源N-三甲氧 基硅丙基-N,N,N-三甲基氯化铵（TMAPS）作为助结构导向剂合成得到的。 该类材料具有均匀分布的有机官能团，可控的介孔结构及孔径大小。其 中，AMS-1 是三维六方结构，AMS-2 是具有调变结构的笼状结构，AMS-3 是二维六方结构，AMS-6 是双连续立方相Ia3d ，AMS-8 是立方相Fd3m 结 构，AMS-9 是四方相P42/mnm结构，AMS-10 是双连续立方相Pn3m结构。 另外，作为AMS 系列中很特殊的一类，Che等人利用手性的氨基酸表面 活性剂和助结构导向剂以及硅源合成了一类新型的介孔硅材料，即手性 介孔硅材料，其外形为螺旋六方棒状，内部具有螺旋孔道结构。这个发 现不仅进一步拓展了介孔材料的合成体系，而且为催化分离、药物的选 择性吸附等开创了广阔的应用前景。
26
MSU 系列：该系列由Pinnavaia 等人制备而成。这是一类用 聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂为模板合成的孔道为蠕虫状 的介孔材料。这种结构有利于客体分子在孔道内的扩散，消 除扩散限制。
KIT 系列：该系列由Ryoo 等人合成。其中，KIT-1 是一种结 构无序的介孔氧化硅材料。KIT-6 是在Pluronic P123 （EO20PO70EO20）导向下，通过添加正丁醇而得到的具有立 方Ia3d 结构的介孔氧化硅材料。
16
2004年，Liang等通过EISA过程使PS-P4VP型嵌段共聚物与间苯二酚组装得到 周期性复合结构，然后用甲醛蒸气处理，使间苯二酚聚合得到嵌段共聚物－酚醛 树脂复合材料，通过一个直接碳化的过程，可以除掉模板剂，得到高度有序的介 孔碳膜，其孔径为35 nm。
多孔材料总结
多孔材料总结简介多孔材料是指具有较多孔隙结构的材料，通常由孔隙和固体相组成。
这种特殊的结构使得多孔材料在许多领域具有广泛的应用。
本文将对多孔材料及其相关应用进行概述。
多孔材料的分类根据孔隙尺寸和形状，多孔材料可以分为不同的类别。
最常见的分类方法是根据孔隙尺寸进行分类，可以分为微孔材料、介孔材料和宏孔材料。
1.微孔材料：孔隙尺寸小于2纳米的材料被称为微孔材料。
这种材料通常具有高比表面积和较小的孔隙体积。
2.介孔材料：孔隙尺寸在2纳米到50纳米之间的材料被称为介孔材料。
这种材料具有中等的比表面积和孔隙体积。
3.宏孔材料：孔隙尺寸大于50纳米的材料被称为宏孔材料。
这种材料通常具有较低的比表面积和大的孔隙体积。
多孔材料的制备方法多孔材料的制备方法多种多样，可以根据材料的特性和所需的孔隙结构选择合适的方法。
1.模板法：使用模板或模具来制备多孔材料的方法。
常见的模板材料有硬质模板（如聚合物颗粒）、软模板（如乳液）、生物模板（如细胞）等。
2.溶胶凝胶法：将溶胶物质溶解在溶剂中，然后通过凝胶化过程形成多孔材料。
这种方法可以控制多孔材料的孔隙结构和形状。
3.气相沉积法：通过化学反应，在气相条件下使气体或气态物质转化为固态材料。
这种方法可以制备出具有高比表面积和均匀孔隙结构的多孔材料。
4.喷雾干燥法：将溶液或浆料喷雾成微小液滴，并通过干燥过程形成多孔材料。
这种方法可以制备出颗粒状的多孔材料。
多孔材料的应用领域由于其独特的结构和特性，多孔材料在以下领域具有广泛的应用。
1.催化剂：多孔材料可以作为催化剂的载体，提供更大的表面积和更多的反应活性位点，从而提高催化反应的效率。
2.吸附剂：多孔材料具有较大的孔隙体积和表面积，可以用于气体和液体的吸附分离，如吸附剂在空气净化、水处理和石油提纯中的应用。
3.药物传递：多孔材料可以作为药物的载体，控制药物的释放速率和释放位置，从而提高药物治疗效果。
4.隔热材料：多孔材料具有较低的热传导性能，可以用作隔热材料，如建筑隔热材料和高温绝缘材料等。
多孔材料介绍
多孔性能的相关表征
1.X-ray computed tomography 2.Eddy-current sensoring 3.Acoustic measurements 4.X-ray and neutron small angle scattering 5.Vibrational analysis
热交换
典型热管中的热流和工作液流
相对于陶瓷材料和有机材 料,金属材料具有良好的导 热性，所以，具有比表面 积的多孔金属是热交换和 加热、散热的有效材料。
热管是多孔介质热交换器 的一个重要类型，是一种 内表面覆盖多孔芯材结构 的密封排液容器。
流体分布与控制（布气）
1—气体入口2—辊筒底部与密封端 3—膜带 1—分流阀2—压缩空气供应室3—粉末冶金多孔 隔板4—煤矸石5—精煤6—原煤7—尾矿8—尾矿 出口9—精矿出口10—栅栏板11—煤矸石出口
DL/0 (.78)25L/0.616
气泡法
气泡法是利用对通孔 2rcosr2p
材料具有良好浸润性 的液体浸渍多孔样品, 使之充满开孔隙空间， 然后以气体将连通孔 中的液体推出，依据 所用气体压力来计算 孔径值。
气体吸附法
在恒温下,将作为吸附质的 气体分压从0.01-1atm逐步 升高，测出多孔试样对其 相应的吸附量，由吸附量 对分压作图，可得到多孔 体的吸附等温线;反之，测 定相应的脱附量，由脱附 量对分压作图，则可得到 对应的脱附等温线 。试样 的孔隙体积由气体吸附质 在沸点温度下的吸附量计 算。
阻火
由于多孔金属具有不燃烧性,所以可用作防火材料。 阻火器原理是根据火焰通过多孔体的毛细管时产生
热交换，使燃烧的热量经多孔体的孔壁及相邻结构 而散失，从而阻值火焰燃烧。多孔体的临界熄火孔 径取决于燃气混合物的性质与组成，它与燃气各性 能之间的关系用Pekle（65）准数Pe临界表示:
多孔介质的基本特征
多孔介质的基本特征多孔介质是指由许多空隙或孔隙组成的固体物质。
这些孔隙可以是微观的，如纳米级别的孔隙，也可以是宏观的，如毫米级别的孔隙。
多孔介质的基本特征主要包括孔隙结构、孔隙形状、孔隙分布、孔隙连通性和孔隙度等。
首先，孔隙结构是多孔介质的重要特征之一。
孔隙结构指的是孔隙的大小和形状分布。
多孔介质中的孔隙可以呈现出不同的尺寸分布，从纳米级别到宏观级别，这决定了多孔介质的比表面积和吸附能力。
孔隙的形状也是多样的，可以是球形、管状、片状等等。
孔隙结构的特点决定了多孔介质的物理和化学性质。
其次，孔隙形状是多孔介质的另一个重要特征。
孔隙形状指的是孔隙的几何形状，如球形、多边形、不规则形状等。
不同形状的孔隙对多孔介质的吸附、扩散、渗透等过程具有不同的影响。
例如，球形孔隙具有较高的比表面积，有利于吸附分子的吸附，而管状孔隙则可以提高多孔介质的渗透性。
孔隙分布是多孔介质的又一个重要特征。
孔隙分布指的是孔隙在多孔介质中的位置和分布情况。
孔隙可以均匀地分布在整个多孔介质中，也可以集中分布在一些特定区域。
不同的孔隙分布方式对多孔介质的性质产生不同的影响。
例如，均匀分布的孔隙使多孔介质具有较大的比表面积和较好的渗透性，而集中分布的孔隙则可能导致多孔介质的吸附和渗透性能下降。
孔隙连通性是多孔介质的重要特征之一。
孔隙连通性指的是孔隙之间是否存在连通通道。
如果多孔介质中的孔隙之间存在连通通道，那么流体或气体可以通过这些通道在多孔介质中传输。
孔隙连通性影响多孔介质的渗透性、吸附性和传质性能。
如果孔隙之间的连通性较好，多孔介质的渗透性就较高，流体或气体可以容易地通过多孔介质；相反，如果孔隙之间的连通性较差，多孔介质的渗透性就较低，流体或气体的传输受到限制。
最后，孔隙度是多孔介质的重要指标之一。
孔隙度指的是多孔介质中孔隙的体积占据比例。
孔隙度越高，多孔介质中的孔隙空间越多，比表面积也就越大，吸附能力也就越强。
因此，孔隙度是评价多孔介质性能的重要参数之一。
多孔陶瓷材料论述
★多孔材料论述★第一章多孔材料概述 (2)1.1 多孔材料的概念 (2)1.2 多孔材料的类型 (2)1.2.1 多孔金属材料 (3)1.2.2 多孔陶瓷材料 (6)1.2.3 泡沫塑料 (10)1.3 结束语 (13)第二章多孔材料的应用 (14)2.1 多孔金属材料的应用 (14)2.2 多孔陶瓷材料的应用 (17)2.3 泡沫塑料的用途 (20)2.4 结束语 (21)第三章多孔金属制备 (22)第四章多孔陶瓷制备 (23)4.1 挤出成型工艺 (23)4.2 颗粒堆积成孔工艺 (24)4.3 添加造孔剂工艺 (24)4.4 发泡工艺 (24)4.5 溶胶-凝胶(Sol Gel)工艺 (25)4.6 冷冻干燥工艺 (25)4.7 多孔模板组织遗传形成气孔的制备工艺 (25)第五章泡沫塑料的制备 (28)5.1 泡沫塑料的发泡原理 (28)5.1.1 泡沫塑料的原材料 (28)5.1.2 发泡方法 (28)5.1.3 气泡核的形成 (28)5.1.4 气泡的长大 (28)5.1.5 泡体的稳定和固化 (29)5.1.6 几种泡沫塑料的发泡成形 (29)5.2 泡沫塑料的成形工艺 (30)★多孔材料论述★第一章多孔材料概述多孔材料普遍存在于我们的周围，在结构、缓冲、减振、隔热、消音、过滤等方面发挥着重大的作用。
高孔率固体刚性，高面密度低，故天然多孔固体往往作为结构体来使用，如本材和骨骼，而人类对多孔材料的使用，则不但有结构方面的．而且还开发了许多功能用途。
本章主要介绍这种重要材料的基本概念和特点。
1.1 多孔材料的概念顾名思义，多孔材料是一类包含大量孔隙的材料。
这种多孔团体材料主要由形成材料本身基本构架的连续固相和形成孔隙的流体相所组成。
其中流体相又可随孔隙中所含介质的不同而出现两种情况，即介质为气体时的气相和介质为液体时的液相。
那么，是否含有孔隙的材料就能称为多孔材料呢?回答是否定的。
比如在材料使用过程中经常遇到的孔洞、裂隙等以缺陷形式存在的孔眩，它们的出现会降低材料的使用性能，这是设计者所不希望的，因而这些材料就不能叫做多孔材料。
多孔材料孔结构表征
2. 孔结构的表征技术
图5 NaX 和MNaX 的氮气吸附/脱附 等温线NaX在较低的相对压力小于 0.01下吸附量随压力的增大迅速上 升, 达到一定相对压力后吸附接近 饱和,之后随着压力的增加吸附量 不再出现明显变化, 属于Ⅰ型等温 线, 表明其为微孔沸石。 MNaX体现出Ⅰ和Ⅳ型结合的特征，在较低的相对压力 (p/p0<0.01)下吸附量随压力的增大迅速上升, 即微孔填 充, 而后吸附量随压力的增加继续缓慢增加, 并当相对压 力达到p/p0≈0.4 时吸附量随压力增加迅速增加,吸附和脱 附过程变得不可逆, 即出现毛细凝聚现象，等温线上出 现明显的滞后环, 表现出典型的介孔材料特征。
3. 孔结构的表征技术
3.2气体吸附法 气体吸附法是表征多孔材料最重要的方
法之一。通常采用它可以测定多孔材料的比
表面积、孔体积和孔径分布情况，以及进行
表面性质的研究。孔道结构的类型和相关性
质则可以通过吸附特征曲线来表征。
3. 孔结构的表征技术
3.2.1吸附平衡等温线
为了避免发生化学吸附，常采用化学惰性 气体如N2或Ar为吸附质，恒温条件下，测定不 同比压P／P0(相对压力，P为气体的真实压力， P0为气体在测定温度下的饱和蒸气压)下的气体 吸附量，所得曲线称为吸附平衡等温线。吸附 平衡等温线包括吸附和脱附两部分，材料的孔 结构不同，吸附平衡等温线的形状不同。根据 的分类，气体吸脱附等温线可分为6类，其中4 种类型适合多孔材料。
2 1
洞来说，其半径r为：
2 cos r P
（2）
3. 孔结构的表征技术
3.2.3压汞仪的测试方法
主要原理：实验时先将多孔试膨 胀计冲汞，使汞包住试样。压入多孔体中的汞量 由与试样相连的膨胀计毛细管内汞柱的高度变化 来表示。常用的测定方法为直接用测高仪读出汞 柱的高度差，从而求得体积的累计变化量。
【精品文章】一文认识介孔二氧化钛粉体材料
一文认识介孔二氧化钛粉体材料
介孔二氧化钛是一种多孔材料，具有独特的电学和光学性质，并以其比表面积大，丰富的孔道结构等优异性能，广泛应用于光电转换领域，光催化降解，光催化制氢等环境能源领域。
一、多孔材料概述
多孔材料，因具有空旷结构和巨大的表面积，而被广泛应用于催化剂和吸附载体。
（一）多孔材料分类
1、按孔径的大小，多孔材料可分为：
（1）微孔材料：孔径＜2nm；
（2）介孔材料：孔径2～50nm；
（3）大孔材料：孔径50nm～1μm；
（4）宏孔材料：孔径＞1μm。
2、按材料的结构特征，多孔材料又可以分为三类：
（1）无定形；（2）次晶；（3）晶体。
（二）介孔材料
介孔材料因孔径范围较大，存在着孔道形状不规则、孔径尺寸分布范围大等优点，是良好的催化剂载体。
影响介孔材料孔径大小的因素主要包括：
1、表面活性剂碳链的长度，孔径大小的粗略控制可通过调节表面活性剂的碳链长度来达到。
因为表面活性剂的碳链越长，形成棒状胶束时直径越大，若碳链大于l8，表面活性剂溶解度下降，故较少用于介孔材料的制。
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一、一些关于多孔材料研究方面的背景及我们材料的合成、结构和优势
根据国际纯粹与应用化学联合协会( IUPAC)的定义，多孔材料划分为微孔（孔径< 2 nm）材料、介孔（孔径在2－50 nm）材料和大孔（孔径> 50 nm）材料。
多孔材料的发展有个过程：
（1）微孔是重要的催化和吸附材料，传统的沸石分子筛属于微孔材料，微孔分子筛材料在各种有机反应中可作为酸催化剂、碱催化剂和氧化还原催化剂，已广泛应用于各种石化工业中。
换句话说微孔已经有相当长的研究和应用历史，现在也有许多新研究、新结构材料在开发；
（2）由于微孔分子筛材料孔径尺寸小于2 nm，一些大分子的物质不能进入其孔腔发生反应或在孔腔内产生的大分子不能快速逸出，从而大大地限制了其对有机大分子的催化与吸附等方面的应用范围。
近年来，多孔材料领域发展的一个重要方向正向比微孔材料孔径增大的介孔材料方向转变。
有序化的介孔材料是在20世纪90年代发展起来的一类新型分子筛，十多年来，有序介孔材料的研究以及相关的延伸领域得到了飞速的发展。
但其标志性的工作是1992年由美国的Mobil公司的科学家首次在Nature杂志上报道的采用烷基季铵盐（十六烷基三甲基溴化铵）型表面活性剂为模板，合成出孔道直径范围为2~10 nm的有序介孔材料，在化学和材料科学界引起了极大的反响，标志着介孔材料的真正诞生。
这是沸石分子筛合成史上的又一次重大突破，也是材料合成史上的一次飞跃。
他们成功地开发出一类有序介孔材料，称之为M41S系列(MCM-41、MCM-48、MCM-50)介孔分子筛材料。
M4lS系列材料具有规整的介孔结构。
孔径根据合成条件的不同可以在2~5 nm之间调节，按有序孔道的形状可分为六方有序孔道排列的MCM-41、立方有序孔道排列的MCM-48和层状排列的MCM-50[2,3]。
其结构如图1.1。
图1.1 M41S系列介孔材料结构简图
Fig. 1.1 Illustrations of mesoporous M41S materials
从图1.1可以看出，MCM-41具有六方对称性的二维孔道排列，MCM-48具有三维螺旋交叉孔道，MCM-50具有层状结构（不稳定、无实用价值）。
MCM-48的合成条件比较苛刻，文献报道相对较少。
MCM-50由于具有不稳定的层状结构而应用前景较小。
MCM-41 和MCM-48是M41S家族中最具有代表性的一员，它具有狭窄的孔径分布，长程有序的孔道排列结构，比表面积大(> 1000 m2/g)，吸附量高，并且具有较高的热稳定性和良好的水热稳定性。
这些性质引起了广大学者的普遍重视和强烈的兴趣。
M41S系列分子筛具有空旷的孔道结构和孔径，其酸性的可调变性等特点，在催化领域具有潜在的应用前景。
从产物的结构来看，它具有中介相的长程有序、纳米晶胞、维数可调等特点，在很多方面都符合当今功能材料的要求，从此意义上来说，介孔材料是非常有应用前景的材料。
在介孔材料的合成过程中，作为模板的有机物和无机物间存在协同作用并自组装为某种结构，此过程决定于有机物和无机物间物种的相互作用。
一般认为有机物和无机物间的静电相互作用或氢键相互作用对决定样品的结构具有重要影响。
关于有序介孔的合成机制最具有代表性的是Mobil的科学家们最早提出的液晶模板机理和随后提出的协同作用机理(如图1.2)。
Mobil公司的研究人员为了合理解释MCM-41的形成机理，最早提出了液晶模板机理(LCT)，如图1.2中A路径。
这个机理认为由表面活性剂胶团生成的溶致液晶作为形成MCM-41的模板剂。
表面活性剂的液晶相是在加入无机反应物之前形成的。
模板剂在水体系中先形成球形胶束，再形成棒状胶束，继续增大表面活性剂的浓度，则生成六方有序排列的液晶结构，溶解在溶剂中的无机单体分子因与亲水端存在着引力，无机物种沉淀在胶束棒之间的空隙，聚合固化构成孔壁。
但是，随着对介孔分子筛研究的深入，这种机理过于简单，对一些实验现象的解释存在矛盾。
因此Mobil公司提出了另一种机理，即协同作用机理(cooperative formation mechanism, CFM)，如图1.2中B路径。
CFM机理认为表面活性剂胶团生成的液晶作为形成MCM-41结构的模板剂，但是表面活性剂的液晶相是在加入无机反应物之后形成的。
形成表面活性剂中间相是胶束和无机物种相互作用的结果。
这种相互作用表现为胶束加速无机物种的缩聚过程和无机物种的缩聚反应，并对胶束形成类液晶相结构有序体有促进作用。
胶束加速无机物种的缩聚过程主要由于两相界面之间的相互作用（如静电吸引力、氢键作用或配位键等）导致无
机物种在界面的浓缩而产生。
图1.2 MCM-41的两种形成机理(A)液晶模板机理；(B)协同作用机理
Fig. 1.2 Two kinds of formation mechanism for MCM-41 (A: liquid-crystal template mechanism, B: cooperative formation mechanism) （3）大约在1998年，美国的一个工作组（其中第一作者是中国人：赵东元，当时在美国的这个工作组（现已是我国科学院院士））第一次提出由嵌段共聚物模板合成介孔结构，即含亲水基和疏水基的嵌段共聚物作为模板剂，采用的模板剂是三嵌段共聚物：聚氧乙烯-嵌-聚氧丙烯-嵌-聚氧乙烯（也叫聚乙二醇-嵌-聚丙二醇-嵌-聚乙二醇）或（EO20PO70EO20），一般称P123，）这种模板合成的介孔叫SBA-15，其结构也和MCM-41几乎相同，是在二维的六方孔排列，但孔径是增大的（一般在8~10 nm左右），由于孔径增大，可明显提高介孔材料的水热稳定性, 且可以有效地调控介孔材料的结构与性能，同时一些含金属氧化物的介孔也可合成，影响很大，随后这方面的工作相当的多。
这种嵌段共聚物（如：P123）在构筑介孔时的机理和上面介绍的MCM-41一样。
二、一些反应的机理
TEOS在酸催化下发生水解和缩聚作用的过程（在缝隙中），是一个溶胶-凝胶(sol-gel)过程,正硅酸乙酯作为前驱体在一定条件下水解,形成溶胶,经溶剂挥发及加热等处理,使溶胶转变成SiO2的凝胶。
水解反应式: TEOS：Si(OC2H5)4
OC2H5 OH
││
C2H5O─Si─OC2H5 + 4H2O HO─Si─OH + 4 C2H5OH ││
OC2H5OH
硅酸单体之间的缩聚和它本身的脱水反应也同时进行:
OH OH OH OH
││││
HO─Si─OH + HO─Si─OH HO─Si─O─Si─OH +H2O ││││
OH OH OH OH
OH OH OH
│││
HO─Si─O─Si─OH + 6HO─Si─OH
│││
OH OH OH
OH OH
││
HO─Si─OH HO─Si─OH
││
OH O O OH
││││
HO─Si──O──Si──O ──Si─O─Si─OH
││││
OH O O OH
││
HO─Si─OH HO─Si─OH
││
OH OH
最终形成表面有部分Si-OH基，实体是Si-O体交联的无定型SiO2孔壁：
即介孔的孔壁。