“賣炭翁，伐薪燒炭南山中”，唐代詩人白居易描繪了碳材料在古代人民日常生活中的重要地位。碳是一種典型的多孔材料，能用作繪畫、青銅煉制和防腐劑等多種領(lǐng)域。在歷史的發(fā)展長河中，多孔材料在現(xiàn)代化學(xué)和材料科學(xué)中占據(jù)了重要地位，但是其發(fā)展歷程直到近期才引發(fā)科學(xué)界關(guān)注。多孔結(jié)構(gòu)如何影響材料的性質(zhì)，如何設(shè)計多孔結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)特定的功能和最優(yōu)的屬性仍是多孔材料研究領(lǐng)域的“一朵烏云”。

武漢理工大學(xué)蘇寶連教授團隊聯(lián)合華東師范大學(xué)何鳴元教授團隊總結(jié)了多孔材料的發(fā)展歷史，進一步提出了“孔科學(xué)與工程”的美好藍圖，該成果發(fā)表于《國家科學(xué)評論》（National Science Review）。

是什么推動了煉油化工的革命？是什么占據(jù)了固體非均相催化材料的半壁江山？自1756年從自然界中被發(fā)現(xiàn)以來，分子篩作為一種典型的多孔材料，經(jīng)歷了化學(xué)組成和孔道尺寸的蓬勃發(fā)展，形成了無機結(jié)構(gòu)、有機無機結(jié)構(gòu)、有機框架結(jié)構(gòu)和微孔、介孔、超大孔等多元發(fā)展的“黃金時代”。這些由單一層級孔道結(jié)構(gòu)構(gòu)成的多孔材料組成了多孔材料1.0。

隨著工業(yè)界對于催化反應(yīng)效率和催化劑利用效率的提升，單一孔道的多孔材料逐漸無法滿足分子擴散的需求。等級孔結(jié)構(gòu)是一種自然界生命經(jīng)歷千百萬年演變得到的高效擴散結(jié)構(gòu)。在2003年，一種大孔-介孔-微孔等級孔結(jié)構(gòu)被首次合成得到。自此，等級孔被廣泛引入到分子篩材料中，來提升物質(zhì)的傳輸擴散以及催化效率。這些等級孔材料具備層次性、貫通性和規(guī)律性的特征，組成了多孔材料2.0。

在多孔材料發(fā)展的歷史基礎(chǔ)上，為了進一步理性設(shè)計多孔結(jié)構(gòu)，作者深耕孔道結(jié)構(gòu)的重要屬性和設(shè)計理論，提出了“孔科學(xué)與工程”的概念，包括孔化學(xué)和孔結(jié)構(gòu)：孔化學(xué)囊括了擇形效應(yīng)、交通控制效應(yīng)、限域效應(yīng)、分子識別效應(yīng)等重要的科學(xué)理念；孔結(jié)構(gòu)包含了孔道結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論，包括高效擴散結(jié)構(gòu)中孔道之間定量關(guān)系（廣義默里定律）和反應(yīng)-孔道之間的定量關(guān)系（孔道尺寸、孔結(jié)構(gòu)、籠域結(jié)構(gòu)）。

多孔材料的發(fā)展歷程及未來發(fā)展方向

作者呼吁研究者們共同助力多孔材料進入一個新的發(fā)展時代，在人工智能等的助力下，實現(xiàn)理論指導(dǎo)和分子層面的精準調(diào)控。多孔材料的開發(fā)將實現(xiàn)從“試錯模式”到“按需設(shè)計”的轉(zhuǎn)變，助力效率的提升和“碳中和”的實現(xiàn)。

來源: 《中國科學(xué)》雜志社