多孔材料不僅在吸附和催化方面前景廣闊，在電子材料、光收集和能量傳遞中作為質子導體以及在諸如分子傳感等應用中頗具潛力。未來一段時間，多孔納米材料的應用范圍有望在未來有大的突破。

沸石或活性炭之類的商業化材料，不僅充當催化劑或吸附劑，而且還可以加工成其他形式（例如顆粒）。價格低廉，生產容易，也賦予它們極強的經濟競爭力。多年來，研究人員試圖對進行進一步優化以實現多種組合功能，發現這確實是一項巨大的挑戰。

然而，并非所有功能都可以通過商業材料得到滿足。因此，探索新型多孔材料，其重要性不言而喻。

有鑒于此，英國利物浦大學Anna G. Slater 和 Andrew I. Cooper等人對新型多孔材料的功能導向設計進行了綜述。

圖1.多孔固體的類別和所選功能匯總圖

十年磨一劍

在過去的10年中，除了MOF，COF和多孔聚合物網絡外，還出現了其他種類的分子多孔固體，例如具有固有微孔性的聚合物和多孔有機籠。因此，多孔固體的可能功能范圍比以前寬得多。例如，共軛微孔聚合物和某些COF具有延伸的共軛結構，這些結構在沸石或MOF中不存在，并導致形成多孔有機光催化劑和電子材料。

為沸石、MOF和COF開發的晶體工程方法不能直接應用于無定形固體（例如多孔聚合物），但是類似的模塊化策略已可以通過選擇適當的分子構件來控制諸如孔隙率和電子帶隙之類的功能。結構和功能的計算預測的飛速發展提供了一種策略，可以用于識別特定應用的較佳多孔材料，例如通過對假設的MOF中氣體吸附進行大規模的篩選。

2004年，曼徹斯特大學的P. M. Budd等人率先報道了本征微孔聚合物（PIM）的合成和相關性質，為多孔材料的爆發點燃了引線。

P. M. Budd et al., Polymers of intrinsic microporosity (PIMs): Robust, solution-processable, organic nanoporous materials. Chem. Commun. 2004, 230–231 (2004). doi: 10.1039/ b311764b; pmid: 14737563

2005年，北卡羅來納大學的C. D. Wu等人報道了手性MOF用于對映選擇性催化結構。密歇根大學的A. P. C?té等人報道了共價有機框架（COF）結構。凡爾賽大學圣奎因伊夫林分校的G. Férey等人報道了高孔隙率MOF結構。

C. D. Wu, A. Hu, L. Zhang, W. Lin, A homochiral porous metalorganic framework for highly enantioselective heterogeneous asymmetric catalysis. J. Am. Chem. Soc. 127, 8940–8941 (2005). doi: 10.1021/ja052431t

A. P. C?té et al., Porous, crystalline, covalent organic frameworks. Science 310, 1166–1170 (2005). doi: 10.1126/ science.1120411

G. Férey et al., A chromium terephthalate-based solid with unusually large pore volumes and surface area. Science 309, 2040–2042 (2005). doi: 10.1126/science.1116275

再接著2007年，陜西師范大學的J.-X. Jiang等人報道了共軛微孔聚合物（CMP）。

J.-X. Jiang et al., Conjugated microporous poly (aryleneethynylene) networks. Angew. Chem. Int. Ed. 46, 8574–8578 (2007). doi: 10.1002/anie.200701595; pmid: 17899616

經歷了初始幾年的集中爆發，進入21世紀的第二個十年，MOF和COF成為目前多孔材料研究的熱點。

圖3.功能性多孔材料的重要進展

總體來說，本文主要講述了以下內容。

1）多孔材料分類：

對多孔材料進行分類的方法很多，其中一種方法是通過其遠程有序程度及其分子間鍵合強度來分類，這些參數會影響多孔材料的具體性能。譬如，遠程有序程度在分子篩應用中可能有用，而強大的分子間鍵則可以促進化學或熱穩定性。

圖2.多孔固體的功能分類示意圖

2）各種材料的優缺點：

每個材料的相對優勢都取決于具體的應用，所有這些性質都將與已確定的材料進行比較。考慮活性炭是另一種重要的多孔材料，此處未列入對比。

3）原子尺度和系統設計

從各個功能的角度考慮，研究了在原子級設計新的多孔固體的能力，以及如何將這些設計方法應用于實際的工程系統中。在這些系統中，無論是通過材料還是系統設計都必須同時優化多個特性，同時還要減少不希望出現的特性。

圖4.多孔分子有機材料中功能性模塊化編程示意圖

圖6.利用計算機從分子層面構建單元進行功能預測的示意圖

4）如何實現綜合性能的權衡

多孔材料在膜、吸附劑、催化劑和其他化學應用中扮演一個非常重要的角色。但是，要使這些材料在工業規模上得到更大的應用，除了研究孔結構和表面積之外還必須優化其他多種功能，例如穩定性、吸附動力學、可加工性、機械性能和熱性能。

圖5.使用高通量計算探索甲烷存儲和輸送的極限示意圖

5）如何選擇合適的多孔材料

多孔材料千差萬別，目前還沒有有個通用的解決方案。因此，為特性的應用場景選擇合適的多孔材料也是一個艱難的任務。

參考文獻

Anna G. Slater and Andrew I. Cooper, Function-led design of new porous materials, Science, 2015

DOI: 10.1126/science.aaa8075

http://science.sciencemag.org/content/348/6238/aaa8075

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