从自然开始：天然等级孔材料与合成材料
等级孔材料由于其独特的孔道结构，使得该类材料往往具有各级孔材料的优势，同时又具有单一孔材料所不具备的优势，在催化、分离、能源、纳米科学和生命科学等领域有着广泛的应用前景。我们对等级孔材料的合成方法、形貌、结构与应用进行了综述。根据应用需求，我们可以通过控制孔径大小、联通性、形状等，设计特定的等级孔结构。尽管在合成方面取得了一定的进展，等级孔材料的发展仍然存在着巨大的挑战，如可控合成、产品质量、物质传输等。
等级孔材料
等级孔材料是指在同一主体材料中存在两种或者两种以上不同孔径的孔道结构，孔径依次由大到小逐级分布，且每一级的孔道结构是由低一级别的孔道结构构成的孔材料，具有各级孔结构的优势，同时又具有单一孔结构所不具备的分级优势。在过去的十年里，从纳米科学到催化、分离、能源和生命科学，等级孔材料的合成与应用已经引起了人们极大的关注，成为多孔材料领域新的研究热点。根据国际纯粹与应用化学联合会的定义，孔道根据尺寸大小可分别定义为微孔（<2 nm），介孔（2-50 nm）到大孔（>50 nm），因此等级孔材料也根据孔道大小命名为微孔-介孔材料，介孔-大孔材料或微孔-介孔-大孔材料等等。等级孔材料的孔道相互贯通性使得该类材料可以同时具有两种及以上孔道的优势。例如微孔和介孔提供了对客体分子大小和形状的选择性，加强了主体材料与客体分子之间的相互作用；大孔可以减小客体分子在主体材料中扩散的阻力，缩短扩散通路，这对于涉及大分子或者在黏稠体系中进行的化学反应有着重要的意义。
从自然开始：天然等级孔材料与合成材料的对比
亿万年来，大自然已经产生了很多等级孔无机材料和杂化材料。天然等级孔结构绝大多数是通过分子单元或分子单元的聚集体自组装形成的。在多尺度水平上的自组装就导致了许多生物材料具有复杂的等级孔结构，如硅藻，蝴蝶，木材，树叶，金刚鹦鹉的羽毛，海带，珊瑚，棉花，人骨，乌贼骨头和海绵。这些等级结构往往又给生物体带来了特殊的属性。
天然等级孔材料示例。天然材料的等级孔结构的扫描图和照片，从下到上依次为：硅藻，蝴蝶，木头，树叶，金刚鹦鹉的羽毛，草干，海带，珊瑚，棉花，人骨，乌贼骨和海绵
人们首先通过模仿自然系统，将材料在不同尺度的孔隙和骨架上进行等级结构化，从而获得拥有广阔应用前景的功能化材料。然而精细的天然结构对其功能造成的影响，不仅是简单的微尺度结构，而且包含不同尺度上的结构参数（从原子分子到纳米尺度）以及彼此的相互作用。因此，当前等级孔结构材料制备技术还面临着很大的挑战。
等级结构在天然材料自组装、精细结构以及有机无机复合等方面，有着很多无法复制的优势。等级天然材料的结构与组成取决于生存需要，这也决定了它必须具备的特性与性能。然而，人们在设计或使用材料时，根据不同的应用目的，还应考虑到材料的物理性能（如质量、强度、热稳定性、耐火性等）以及使用范围（如温度、压力、湿度、pH等）。只有这样，我们才能最大限度地发挥材料的性能，或避开材料的不利因素。因此，我们在此先对天然等级孔材料和合成等级孔材料做一个性能对比，以说明合成等级孔材料相比于天然等级孔材料所拥有的优势。
天然等级孔材料和合成等级孔材料在以下各方面对比：组成、工艺、结构、长度、形态、功能、寿命、稳定性和环境影响
等级孔材料的合成与应用
虽然现有的合成方法不能像自然那样实现等级孔材料各级结构参数的精确控制，但是科学家们已经开发了很多有效的合成技术来实现等级结构的可控性。主要是通过改变以下几个变量来实现对等级孔材料的结构调控：等级孔材料的制备过程、结构变量（比如原子结构、分子结构、纳米结构和微米结构）、化学组成变量（比如速率和配比）、形貌变量（比如形状、颗粒大小和分布方向）和相位关系（比如各级的转换和界面）。我们对各类等级孔材料的制备方法及其相应的形貌、孔结构和组分进行了归纳总结，如表1所示。
表1 合成等级孔材料的方法和其对应的形貌、孔道大小和组分
等级孔材料应用的重点在于如何实现对材料纳米/微米尺度的微观结构的控制，来调整等级孔材料的性能，并且这种控制通常是需要在特定的尺度范围内进行的。一般来说，在纳米尺度范围内对材料纳米/微观结构的控制可使材料获得多种功能（或者是多个活性位点）；在微米尺度的形貌控制则可以调整材料的机械性能和传输性能。这类功能材料已经广泛地应用于催化、分离、能源和生命科学等领域，表2总结了这些应用及其优势。随着人们对特殊形貌材料的研究兴趣日益增加，等级孔材料的多级结构研究已经取得了很大的进展。球形、纤维、薄膜和块体等具有不同的多级结构和复杂性能的等级孔材料均有报道。通过合成路线设计和形貌控制，可以制备的等级孔结构主要包括双微孔、微孔-介孔、微孔-大孔、微孔-介孔-大孔、双介孔、介孔-大孔、双大孔/多重大孔等。材料的组成成分则包括聚合物、氧化物、碳、金属、复合材料、杂化材料等。
表2 等级孔材料在催化、分离、能源和生命科学上的应用
总的说来，等级孔材料是近十年来多孔领域的一个新的研究方向，为多孔材料的应用提供了一条新的研究途径。首先，等级孔材料在催化和分离领域表现出明显的优势，这些归结于等级孔材料多类型孔的存在。例如在二氧化钛光催化剂应用中大孔孔道有利于光捕获就是一个很好的证明。其次，微孔和介孔的存在不仅提升了材料对客体分子尺寸和形貌的选择性，而且强化了主客体之间的相互作用。所以等级孔材料在提升反应速率、物质传输和能源材料中的电子迁移速率等方面都展示了很好的优势，已被广泛地应用于制备光化学反应器、染料敏化太阳能电池、燃料电池、锂离子电池和超级电容器等。最后，在生命工程材料，生物材料和药物释放等方面的也得到广泛应用，在医疗健康方面也发展出一个新领域。
树叶仿生材料示意图。天然材料（如真核藻类植物）能通过光合作用将二氧化碳和水转换成化合物。天然材料结构脆弱，不易利用。例如，树叶在冬天不能有效地进行光合作用，光合实体的光合效率同样也会被严酷的环境所限制。为避免不利的环境因素对光合作用产生影响，可采用人工光合作用系统。人工光合系统，通过对细胞器或整个细胞进行封装或固定化，提供稳定的微环境，以保护天然光合系统。这种系统能够获得光合作用生物物种的全部性能，而不受季节变化的影响。
本文摘编自徐如人、庞文琴、霍启升等著《分子筛与多孔材料化学（第二版）》一书。《分子筛与多孔材料化学（第二版）》在第一版的基础上，保持以分子筛与多孔材料的合成化学与结构化学为主线，兼顾基础与发展前沿并重的体系，总结本领域十年(2004-2013)来的进步与发展，在大幅更新与删改原有章节内容的基础上，再新增加“等级孔材料”与“金属有机与有机骨架多孔材料”两章。整体反映本领域的最新进展，新增十年(2004-2013)来的参考文献近千篇。
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