能源介孔材料

●李 偉

萬物皆有孔，孔中乾坤大

多孔材料是一種由相互貫通或封閉的孔洞構成的網絡結構材料，孔洞的邊界或表面由支柱或平板構成，如蜂窩。最為常見的就是木材，木材中間有很多細小的孔洞，千百年來，這些天然的多孔材料被人們廣泛利用，用于建造房屋、船只，古羅馬時代就被用于酒瓶的瓶塞等。一般來說，多孔材料都具有大的表面積和連通的孔道結構，能夠為物質的傳輸提供通道，如自然界中的葉脈的傳輸系統(tǒng)、人類的呼吸系統(tǒng)、血液循環(huán)系統(tǒng)等。

近代人們開始自己制造多孔材料，其中最簡單的是由大量相似的棱形孔洞組成的蜂窩狀材料，可用作輕質構件。更常見的是高分子泡沫材料，如海綿，其用途廣泛，可用于小到隨處可見的咖啡杯，大到飛機坐艙的減震墊等。現(xiàn)代技術的發(fā)展使得金屬、陶瓷、玻璃等材料也能像聚合物那樣發(fā)泡。這些新型泡沫材料正逐漸地被用作絕緣、緩沖、吸收沖擊能量的材料，從而發(fā)揮了其由多孔結構決定的獨特的綜合性能。多孔材料典型的優(yōu)點是相對密度低、相對強度高、比表面積高、重量輕、隔音、隔熱、滲透性好等,其應用范圍遠遠超過單一功能的材料,而在航空、航天、化工、建材、冶金、原子能、石化、機械、醫(yī)藥和環(huán)保等諸多領域具有廣泛的應用前景。

介孔材料憑什么開創(chuàng)應用新領域

按照國際純粹和應用化學聯(lián)合會（IUPAC）的規(guī)定，多孔材料可分為三大類，孔徑小于2 nm的為微孔材料，如沸石；孔徑處于2～50 nm之間的為介孔材料，如天然粘土；孔徑大于50 nm的為大孔材料，如海綿（圖1）。1992年國際著名美孚石油（Mobil）公司的研究人員首次成功地合成出介孔材料，是多孔材料領域里程碑式的發(fā)展，引發(fā)了介孔材料研究熱潮，開創(chuàng)了全新領域。與微孔材料相比，介孔材料孔徑更大，適合大分子參與的反應過程。與大孔材料相比，介孔材料具有更大的比表面積和活性位點，顯示獨特的納米限域效應。在能源、健康、信息等領域應用中，具有不可替代的地位，給化學和材料的領域發(fā)展帶來了一場革命。

圖1 多孔材料分類

能源是現(xiàn)代社會的動力和源泉，是人類活動的物質基礎，人類的發(fā)展史就是能源的使用史。當前人類使用的燃料和能量大多來自化石能源。而且，在可預見的未來，化石能源仍將是人類最主要的能量來源。因此，高效利用有限的化石資源尤其重要，因為我們目前還沒有可替代的資源和技術來提供人類所需的如此大量的能源。我國石油資源嚴重短缺，2018年原油消耗量已高達～7億噸，對外依存度已超過～67%，并逐年攀升。更為嚴峻的是，我國原油中平均渣油含量高達47.8%，很難轉化成高附加值的產品，如汽油、柴油等。這是因為渣油分子量大、組分復雜、雜質多、粘度高等，在傳統(tǒng)微孔分子篩催化劑中擴散困難、易導致催化劑中毒失活等。介孔材料由于其大孔徑、弱酸性、可調結構等突出優(yōu)點，在渣油大分子加氫裂化催化應用中，表現(xiàn)出非常優(yōu)異的性能，我國科學家已經實現(xiàn)了這一技術的工業(yè)化應用（圖2）。

圖2 介孔材料在石油化工中的應用

另外，介孔材料在生物質大分子的轉化過程中也發(fā)揮著不可替代的作用。生物質能夠提供大量可再生的碳，是太陽能高效利用的一個重要途徑。將生物質高效轉化為高質量的燃料和化學品是一項長期的任務。通常，生物質轉化過程涉及到將龐大的生物大分子分解成小的基礎分子，再對這些小分子進行進一步加工，最終生成高附加值的產物。介孔材料大的孔徑、高的比表面積，能夠加速物質的擴散，并使它們更容易接近反應活性位點，從而幫助促進生物質的轉化。

能源搭上介孔，許多記錄將被改寫

太陽能是人類的終極能源，太陽能的高效利用具有非常重要的意義，是科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點。利用光催化反應將太陽能轉化為高附加值的燃料是太陽能利用的另一條潛在的途徑。首先，太陽能燃料可以減少人們對傳統(tǒng)化石能源的依賴。其次，與傳統(tǒng)化石能源相比，低碳氫比的太陽能燃料更加的綠色和清潔，有助于溫室氣體的減排和低碳經濟的實現(xiàn)。更重要的是，太陽能燃料燃燒產生的水和二氧化碳又可以作為生產太陽能燃料的原料，形成生態(tài)平衡的閉環(huán)。介孔材料是理想的催化劑，將太陽能轉化氫氣、甲烷等清潔燃料，并實現(xiàn)燃料的高效轉化生成電能（圖3）。介孔材料高的比表面積提供了大量的活性位點，大的孔徑和孔容促進了反應物和產物的傳輸，納米孔道的限域效應增強了界面催化反應等。

圖3 介孔材料在太陽能轉換中的應用

太陽能、風能等可再生能源都存在不穩(wěn)定性和間歇性的問題，對電網的可靠性造成很大沖擊，其有效利用必須依賴于高效的儲能技術。隨著全球可再生能源的普及應用、電動汽車產業(yè)的迅速發(fā)展以及智能電網的建設，儲能技術成為制約或促進能源發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)。智能電網通過儲能裝置進行電網調峰，以增加輸配電系統(tǒng)的容量及優(yōu)化效率。儲能的本質是實現(xiàn)對電能的儲存，在需要的時候釋放出來。

在眾多儲能技術中，技術進步最快的是電化學儲能技術，是指通過電池對電能直接進行存儲和釋放（圖4）。其中，鋰離子電池一經問世，就以其高能量密度、長循環(huán)使用壽命等優(yōu)勢席卷整個消費類電子市場，現(xiàn)在已成為支撐和限制新能源汽車發(fā)展的關鍵核心技術。與此同時，全釩液流電池、鉛炭電池等技術經過多年的實踐積累，正以其突出的安全性能和成本優(yōu)勢，在大規(guī)模固定式儲能領域快速拓展應用。此外，鋰硫電池、鈉離子電池、鋅空氣電池、固態(tài)鋰電池等新興電化學儲能技術也如雨后新筍般涌現(xiàn)，并以越來越快的速度實現(xiàn)從基礎研究到工程應用的跨越。其核心的關鍵之一是儲能電極材料的發(fā)展，介孔材料在電化學儲能技術中也大放異彩，其相互連通的孔道結構不僅有利于電解液的快速傳輸，還有助于緩沖充放電過程的體積變化以及緩存放電產物等，表現(xiàn)出巨大的應用潛力。

圖4 介孔材料在電化學儲能技術中的應用

碳資源的高效利用、碳減排和碳循環(huán)、綠色可再生能源的開發(fā)已經成為戰(zhàn)略研究的重點和社會面臨的重大挑戰(zhàn)。通過在不同尺度上對材料的孔隙率、結構和組成等進行精準設計和構建，就可能制備出能源高效轉化和存儲過程中所需的各種功能的介孔材料，推動破解國家重大戰(zhàn)略難題。