介孔材料简介
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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。
利用介孔材料组装或缓释生物大分子进行生物传感、介孔硅内组装分子并进行光 释控制、介孔硅体内进行蛋白质的可控组装等，都为介孔材料(包括介孔碳纳米 管)生物传感乃至疾病治疗、预测等打下良好的基础。 在纳米仿生传感方面，经无机硅藻类物质制得的介孔铝磷酸盐薄膜在雷达磁传 感定位方面也存在潜在应用。
介孔材料的应用
介孔材料的应用
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。 介孔氧化钨、介孔氧化钒电致变色性能优良(比相应的纳 米粒子高出1倍)。其孔径控制可提高电致变色动力学常数； 嵌入锂离子及有机电解液后，重复使用性能亦有较大的提 高(容量衰减小于10% )。 磁性材料铁氧四面体中介孔结构材料的引入及其与纳米粒 子的组装或铁氧四面体纳米粒子与其它类介孔材料组装都 有望在磁存储领域产生新的性能并得到应用。
介孔材料的应用
电容、电极、储能材料
有序介孔材料具有宽敞的孔道，可以在其孔道中原 位制造出含碳或钯等储能材料，增加这些储能材料 的易处理性和表面积，使能量缓慢的释放出来，达 到传递储能的效果。
介孔NiO/Y2O3-ZrO2复合氧化物可用于燃料电池。这种材 料的孔壁为微孔结构的Y2O3增稳的ZrO2纳米晶， 800℃ 有较高的热稳定性。加上孔径分布窄，燃料电池内燃料/ 氧传质、氧离子转移、电导、电荷迁移性能提高显著， 电池的操作温度亦有望降低。
常温光照条件下，采用介孔Ta2O5吸附水气可分解得到H2和O2， 掺Cu， Ni后，水气吸附量提高，水分解速率翻倍。 TiO2，V2O5纳米粒子/介孔硅粉体催化氧化丙烷，并对线性聚乙 烯纳米晶纤维进行催化聚合 Pt纳米束/介孔碳组装体在燃料电池中催化解离氧气 介孔ZrO2 ，CeO2与Pt纳米粒子组装催化分解甲醇、对苯进行催化 加氢
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。
介孔材料的表征手段
介孔材料表征手段自成一整套体系： 固 态 结 构
X X X ： ： wormlike孔 X
x
体
介孔材料的表征手段
红外光谱：确定物质的各种基团，确定是否有 骨架结构 示差扫描量热法(DSC)和热重(TG)曲线来研究 在加热过程中所发生化学反应，晶型转变及煅 烧温度等 SEM、TEM是来研究物质的形貌和粒径大小 吸附法来研究介孔材料的比表面和孔径分布
电容、电极、储能材料
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，可制得超电容电极材料。
介孔碳双电层电容器电极材料的电荷储量高。孔径3. 9 nm的介 孔碳电容器电容量达100 F/g，充放电100次后衰减小于20%， 与金属氧化物RuO2粒子组装后电容可达254 F/g，是性能极佳 的新一代电容器材料。 以介孔CeO2作为燃料电池的电极，目的是在电解液-电极-气体三 相界面上提供大比表面积，以利于气体的扩散。它作为燃料电 池电极最大的优点是带有介孔壁的电极不仅能极大地提高输送 能力，而且还可以提高催化。
以不同类型的模板剂(如表面活性剂)所形成的超分 子自聚体为模板，通过溶胶-凝胶过程，在无机物 与有机物之间的界面定向引导作用下自组装成介 孔材料。根据模板不同可分为：表面活性剂模板、 嵌段共聚物模板和有机小分子模板等。 近年来，用配位体辅助模板机理成功地合成了许 多具有稳定结构的非硅组成的有序介孔材料。
介孔材料的应用
半导体传感和生物传感
介孔材料组装半导体和生物大分子实现对气体的半导 体传感、生物传感、疾病预测等应用。
常温下MCM- 48立方介孔硅膜与半导体复合形成Si/n -SiO2/Si3N4/Au 复合电极薄膜，可用于NOx含量(w =1×10-6级)的检测以及空气中酒 精浓度的高灵敏铝基介孔硅膜的气敏传感等。
微波辐射合成法
晶化阶段用微波辐射合成了介孔材料MCM-41 全微波辐射法，即晶化和脱模均在微波作用下合成出 MCM-41 微波辐射加热不同于传统的加热方式，它是在电磁场 作用下，通过偶极子极化使体系中的极性分子急剧扭 转、摩擦产生热量来实现，具有内外加热、升温速度 快、高效节能、环保卫生等优点。利用全微波辐射法 合成MCM-41介孔分子筛，整个过程用时不到5 h。和 水热法相比，合成时间大大缩短，同时利用微波技术， 高效节能，操作便利，环境污染少。
介孔材料的特点
具有规则的孔道结构 孔径分布窄，且在2~50 nm之间可以调节 经过优化合成条件或后处理，可具有很好的 热稳定性和一定的水热稳定性 颗粒具有规则外形，且可在微米尺度内保持 高度的孔道有序性
介孔材料的合成方法
溶胶-凝胶法 水热合成法 微波辐射合成法 相转变法 沉淀法
目前应用最多
溶胶-凝胶法
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
介孔（mesopore):孔径2——50nm
材 料
大孔（macropore）：孔径大于50nm
介孔材料的应用
择形吸附与分离 选择性催化 半导体传感和生物传感 电容、电极、储氢材料 信息储运
介孔材料的应用
择形吸附与分离 介孔材料存储量高，表面凝缩特性
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。 介孔碳分子筛材料：表现出对CH4和N2的择形吸附特性。 2
在医疗方面，介孔材料吸附药剂分子后在药物缓释与靶向释放方面
也有重要应用。
介孔材料的应用
选择性催化
介孔壁对反应物分子有强的相互作用，不同基质和介孔孔径以及介孔阵列对 不同的反应物特别是分子结构差异较大的物质有不同的相互作用和选择性催 化作用。利用不同化学组成的物质制备介孔材料将在选择性定位催化，特别 是高效转化方面具有广泛用途。
非硅基介孔材料
介孔材料出现与分类
按照介孔是否有序： 无定形(无序)介孔材料 有序介孔材料
孔径范围较大，孔道形状不规则，如 普通的SiO2气凝胶、微晶玻璃等。 以表面活性剂形成的超分子结构为模板，利用溶 胶-凝胶工艺，通过有机物和无机物之间的界面定向导引作用组装成一 类孔径约在2~50nm，孔径分布窄且有规则孔道结构的无机多孔材料。 有序介孔材料是20世纪90年代初迅速兴起的一类新型纳米结构材料， 它利用有机分子表面活性剂作为模板剂，与无机源进行界面反应，以某 种协同或自组装方式形成由无机离子聚集体包裹的规则有序的胶束组装 体，通过煅烧或萃取方式除去有机物质后，保留下无机骨架，从而形成 多孔的纳米结构材料，在催化、吸附、分离及光、电、磁等许多领域有 着潜在的应用价值。
超微孔：小于0.7nm的微孔 宏孔：大于1µm的大孔
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
源自文库
介孔材料出现与分类
筛孔结构规整，孔径分布窄，比表面积大，达1300~1800 m /g，在对有害废气 吸附分离与分解方面也有重要用途。利用介孔碳组装特定纳米粒子，常温常压 下择形吸附光活化分解有害废气SO2、CO、NO等。
在水处理方面，引入介孔级矿物纳米粒子，可高效、低成本地吸附生活
用水中的有机废弃物分子以及无机有害离子。
水热合成法
高温高压下在水(水溶液)或溶剂、蒸汽等流体中 进行合成反应，常与其他合成技术相结合。该方 法是模拟天然沸石矿物的合成条件来进行的介孔 分子筛合成方法，其合成的一般过程是将一定量 的表面活性剂、酸或碱加入到水中组成混合溶液， 再向其中加入无机源形成水凝胶，然后在高压釜 中升高至一定温度，通过自生压力晶化处理，再 经过过滤、洗涤、干燥、煅烧或萃取以除去模板 剂，最后得到有序的介孔材料。
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。
利用介孔材料组装或缓释生物大分子进行生物传感、介孔硅内组装分子并进行光 释控制、介孔硅体内进行蛋白质的可控组装等，都为介孔材料(包括介孔碳纳米 管)生物传感乃至疾病治疗、预测等打下良好的基础。 在纳米仿生传感方面，经无机硅藻类物质制得的介孔铝磷酸盐薄膜在雷达磁传 感定位方面也存在潜在应用。
介孔材料的应用
介孔材料的应用
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。 介孔氧化钨、介孔氧化钒电致变色性能优良(比相应的纳 米粒子高出1倍)。其孔径控制可提高电致变色动力学常数； 嵌入锂离子及有机电解液后，重复使用性能亦有较大的提 高(容量衰减小于10% )。 磁性材料铁氧四面体中介孔结构材料的引入及其与纳米粒 子的组装或铁氧四面体纳米粒子与其它类介孔材料组装都 有望在磁存储领域产生新的性能并得到应用。
介孔材料的应用
电容、电极、储能材料
有序介孔材料具有宽敞的孔道，可以在其孔道中原 位制造出含碳或钯等储能材料，增加这些储能材料 的易处理性和表面积，使能量缓慢的释放出来，达 到传递储能的效果。
介孔NiO/Y2O3-ZrO2复合氧化物可用于燃料电池。这种材 料的孔壁为微孔结构的Y2O3增稳的ZrO2纳米晶， 800℃ 有较高的热稳定性。加上孔径分布窄，燃料电池内燃料/ 氧传质、氧离子转移、电导、电荷迁移性能提高显著， 电池的操作温度亦有望降低。
常温光照条件下，采用介孔Ta2O5吸附水气可分解得到H2和O2， 掺Cu， Ni后，水气吸附量提高，水分解速率翻倍。 TiO2，V2O5纳米粒子/介孔硅粉体催化氧化丙烷，并对线性聚乙 烯纳米晶纤维进行催化聚合 Pt纳米束/介孔碳组装体在燃料电池中催化解离氧气 介孔ZrO2 ，CeO2与Pt纳米粒子组装催化分解甲醇、对苯进行催化 加氢
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。
介孔材料的表征手段
介孔材料表征手段自成一整套体系： 固 态 结 构
X X X ： ： wormlike孔 X
x
体
介孔材料的表征手段
红外光谱：确定物质的各种基团，确定是否有 骨架结构 示差扫描量热法(DSC)和热重(TG)曲线来研究 在加热过程中所发生化学反应，晶型转变及煅 烧温度等 SEM、TEM是来研究物质的形貌和粒径大小 吸附法来研究介孔材料的比表面和孔径分布
电容、电极、储能材料
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，可制得超电容电极材料。
介孔碳双电层电容器电极材料的电荷储量高。孔径3. 9 nm的介 孔碳电容器电容量达100 F/g，充放电100次后衰减小于20%， 与金属氧化物RuO2粒子组装后电容可达254 F/g，是性能极佳 的新一代电容器材料。 以介孔CeO2作为燃料电池的电极，目的是在电解液-电极-气体三 相界面上提供大比表面积，以利于气体的扩散。它作为燃料电 池电极最大的优点是带有介孔壁的电极不仅能极大地提高输送 能力，而且还可以提高催化。
以不同类型的模板剂(如表面活性剂)所形成的超分 子自聚体为模板，通过溶胶-凝胶过程，在无机物 与有机物之间的界面定向引导作用下自组装成介 孔材料。根据模板不同可分为：表面活性剂模板、 嵌段共聚物模板和有机小分子模板等。 近年来，用配位体辅助模板机理成功地合成了许 多具有稳定结构的非硅组成的有序介孔材料。
介孔材料的应用
半导体传感和生物传感
介孔材料组装半导体和生物大分子实现对气体的半导 体传感、生物传感、疾病预测等应用。
常温下MCM- 48立方介孔硅膜与半导体复合形成Si/n -SiO2/Si3N4/Au 复合电极薄膜，可用于NOx含量(w =1×10-6级)的检测以及空气中酒 精浓度的高灵敏铝基介孔硅膜的气敏传感等。
微波辐射合成法
晶化阶段用微波辐射合成了介孔材料MCM-41 全微波辐射法，即晶化和脱模均在微波作用下合成出 MCM-41 微波辐射加热不同于传统的加热方式，它是在电磁场 作用下，通过偶极子极化使体系中的极性分子急剧扭 转、摩擦产生热量来实现，具有内外加热、升温速度 快、高效节能、环保卫生等优点。利用全微波辐射法 合成MCM-41介孔分子筛，整个过程用时不到5 h。和 水热法相比，合成时间大大缩短，同时利用微波技术， 高效节能，操作便利，环境污染少。
介孔材料的特点
具有规则的孔道结构 孔径分布窄，且在2~50 nm之间可以调节 经过优化合成条件或后处理，可具有很好的 热稳定性和一定的水热稳定性 颗粒具有规则外形，且可在微米尺度内保持 高度的孔道有序性
介孔材料的合成方法
溶胶-凝胶法 水热合成法 微波辐射合成法 相转变法 沉淀法
目前应用最多
溶胶-凝胶法
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
介孔（mesopore):孔径2——50nm
材 料
大孔（macropore）：孔径大于50nm
介孔材料的应用
择形吸附与分离 选择性催化 半导体传感和生物传感 电容、电极、储氢材料 信息储运
介孔材料的应用
择形吸附与分离 介孔材料存储量高，表面凝缩特性
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。 介孔碳分子筛材料：表现出对CH4和N2的择形吸附特性。 2
在医疗方面，介孔材料吸附药剂分子后在药物缓释与靶向释放方面
也有重要应用。
介孔材料的应用
选择性催化
介孔壁对反应物分子有强的相互作用，不同基质和介孔孔径以及介孔阵列对 不同的反应物特别是分子结构差异较大的物质有不同的相互作用和选择性催 化作用。利用不同化学组成的物质制备介孔材料将在选择性定位催化，特别 是高效转化方面具有广泛用途。
非硅基介孔材料
介孔材料出现与分类
按照介孔是否有序： 无定形(无序)介孔材料 有序介孔材料
孔径范围较大，孔道形状不规则，如 普通的SiO2气凝胶、微晶玻璃等。 以表面活性剂形成的超分子结构为模板，利用溶 胶-凝胶工艺，通过有机物和无机物之间的界面定向导引作用组装成一 类孔径约在2~50nm，孔径分布窄且有规则孔道结构的无机多孔材料。 有序介孔材料是20世纪90年代初迅速兴起的一类新型纳米结构材料， 它利用有机分子表面活性剂作为模板剂，与无机源进行界面反应，以某 种协同或自组装方式形成由无机离子聚集体包裹的规则有序的胶束组装 体，通过煅烧或萃取方式除去有机物质后，保留下无机骨架，从而形成 多孔的纳米结构材料，在催化、吸附、分离及光、电、磁等许多领域有 着潜在的应用价值。
超微孔：小于0.7nm的微孔 宏孔：大于1µm的大孔
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
源自文库
介孔材料出现与分类
筛孔结构规整，孔径分布窄，比表面积大，达1300~1800 m /g，在对有害废气 吸附分离与分解方面也有重要用途。利用介孔碳组装特定纳米粒子，常温常压 下择形吸附光活化分解有害废气SO2、CO、NO等。
在水处理方面，引入介孔级矿物纳米粒子，可高效、低成本地吸附生活
用水中的有机废弃物分子以及无机有害离子。
水热合成法
高温高压下在水(水溶液)或溶剂、蒸汽等流体中 进行合成反应，常与其他合成技术相结合。该方 法是模拟天然沸石矿物的合成条件来进行的介孔 分子筛合成方法，其合成的一般过程是将一定量 的表面活性剂、酸或碱加入到水中组成混合溶液， 再向其中加入无机源形成水凝胶，然后在高压釜 中升高至一定温度，通过自生压力晶化处理，再 经过过滤、洗涤、干燥、煅烧或萃取以除去模板 剂，最后得到有序的介孔材料。