多孔材料
常见的多孔材料有哪些及应用
常见的多孔材料有哪些及应用
常见的多孔材料有泡沫塑料、多孔陶瓷、多孔金属、多孔玻璃等。
1.泡沫塑料：泡沫塑料是由塑料加工制成的一类轻质多孔材料，具有较低的密度和较高的比表面积。
常见的泡沫塑料有聚苯乙烯泡沫（俗称白板）、聚乙烯泡沫等。
它们主要用于包装材料、保温材料、隔音材料、浮力材料等领域。
例如，聚苯乙烯泡沫广泛应用于建筑保温、冷链物流、汽车零部件、航空航天等领域。
2.多孔陶瓷：多孔陶瓷是制造过程中加入特殊添加剂使陶瓷形成庞大的多孔结构的一类材料。
由于其孔隙结构和热膨胀系数可调节，多孔陶瓷被广泛应用于过滤器、载体、催化剂、吸附剂等领域。
例如，用于高温过滤和除尘的陶瓷过滤器，用于催化反应的多孔陶瓷载体等。
3.多孔金属：多孔金属是一种具有连续的金属骨架和高度分散的细小气孔的材料。
它具有高渗透性和催化性能，广泛应用于过滤材料、传感器、催化剂等领域。
例如，用于燃料电池和水分解器中的多孔金属电极，用于汽车尾气净化的多孔金属催化剂等。
4.多孔玻璃：多孔玻璃是具有大量互相连接的微小孔道的介孔材料。
多孔玻璃具有良好的吸附和分离性能，广泛应用于过滤材料、分离材料等领域。
例如，用于饮用水净化的多孔玻璃过滤器，用于气体分离和吸附的多孔玻璃材料等。
总之，多孔材料由于其独特的孔隙结构和性能，广泛应用于包装、保温、过滤、吸附、分离等领域。
多孔材料概述
多孔材料概述简介多孔材料是一种具有特殊结构的材料，其中包含许多微小的孔隙。
这些孔隙可以是以规则或不规则排列，大小和分布也各不相同。
多孔材料因其独特的性质和广泛的应用而备受关注。
本文将对多孔材料进行全面、详细、完整且深入地探讨。
多孔材料的分类根据孔隙大小，多孔材料可分为微孔材料和介孔材料。
微孔材料的孔隙尺寸通常在2纳米至50纳米之间，而介孔材料的孔隙尺寸可以达到50纳米至500纳米。
根据孔隙结构的形状和类型，多孔材料又可以分为连通孔、非连通孔、开放孔和闭合孔等。
多孔材料的制备方法制备多孔材料的方法多种多样。
下面列举几种常见的制备方法：模板法模板法是一种常用的多孔材料制备方法。
它使用具有孔隙结构的模板材料作为模板，在模板材料上沉积或浸渍其他材料，并经过烧结或溶解来得到多孔材料。
溶胶凝胶法溶胶凝胶法通过溶胶的凝胶化过程制备多孔材料。
首先，将溶胶中的固态颗粒进行分散，并形成胶体溶胶。
然后通过共聚或凝胶化反应使溶胶颗粒连接成网状结构，并形成凝胶。
最后，通过干燥和热处理去除模板剂和获得多孔材料。
碳化法碳化法是一种制备碳基多孔材料的方法。
通常使用金属有机化合物或聚合物作为碳源，在高温下进行热解或碳化反应。
这种方法可以在制备过程中控制孔隙大小和分布，并且可以通过后续处理改变材料的表面性质。
多孔材料的性质与应用多孔材料具有许多独特的性质，这些性质使其在各种领域有着广泛的应用。
下面介绍几个常见的应用领域：吸附材料由于多孔材料具有大量的表面积和高度发达的孔隙结构，因此它们在吸附材料领域具有重要的应用。
多孔材料可以用于气体分离、水处理、催化剂载体等方面。
储能材料多孔材料可以用于制备电池、超级电容器和储氢材料等储能器件。
由于多孔材料具有较高的比表面积和孔隙结构，这些材料具有较高的储能性能和快速的离子传递速度。
隔热材料多孔材料中的孔隙可以减少热传导，因此多孔材料常被用作隔热材料。
这些材料常用于建筑、航空航天和能源行业，以减少能量损失和提高系统效率。
多孔材料
多孔金属的制备
从20世纪初人类开始用粉末冶金方法制备多孔
金属材料算起，多孔金属的制造史已近百年。 所得产品的孔率从原来的百分之十几、二十几 到现在的可达98%以上的高孔率。
目前，已有很多制备多孔金属的工艺方法，其
多孔材料的类型
多孔材料的相对孔隙含量（即孔率，又称孔隙率
或孔隙度）是变化的。 根据孔径尺寸在2nm以下的称为微孔，2nm-50nm为 介孔，而在 50nm 以上的称为大孔。也可根据材料 分为多孔金属、多孔陶瓷、多孔塑料等。 另外根据孔率大小也可分为中低孔率材料和高孔 率材料，前者多为封闭型，后者则会呈现三种类 型：蜂窝材料、开孔泡沫材料、闭孔泡沫材料。
Ⅰ、二维蜂窝材料 Ⅱ、三维开孔泡沫材料 Ⅲ、三维闭孔泡沫材料
多孔材料的基本参量表征
多孔材料是由固相和通过固相形成的孔隙所组成
的复合体，它区别于普通密实固体材料的最显著 特点是具有有用的孔隙。
多孔材料最基本的参量是直接表征其孔隙性状的
指标，如孔率 、孔径、比表面积等。另外多孔 材料的性能也在很大程度上依赖于孔隙形貌、孔 隙尺寸及其分布。
总的来说，目前汽车工业中用量最大的多孔金属材料
在航天、建筑业、铁道业、造船业等领域的应
用也都是利用多孔金属的以上种种优点；
除了上述工程应用外，多孔金属材料还有另外
一些用途，如以金、银为基体的泡沫金属具有 美丽的外观，可考虑作为潜在的新型轻质珠宝 饰物；泡沫铝用来制造奇特的家具、时钟和灯 具等。
X p0 p
XMC
X M Cp0
流体透过法
透过法是通过测量流体透过多孔体的阻力来测算比
表面积的一种方法，其中用的较多的是气体。
在层流条件下，将多孔材料中的孔道视为毛细管通
第十一章多孔材料
一般说来，材料的孔径小，则气体的渗透性差而选择 透过性好；材料的孔径大，则气体的渗透性好而选择透过 性差。介孔材料两方面性能都好，因而受到广泛重视。
O
Si
O
O
O
SiO44- (单聚正硅酸根 )
从 O － Si 连 线投影， 得到平面 图形，中心是 Si 和一个 O 的重叠， 则单聚正硅酸根可表示如右图：
焦硅酸根 Si2O76二聚硅酸根
硅氧四面体共用两个顶点，可连接成长链 ：
通式 [ Si n O 3n + 1 ] ( 2n + 2 ) 这种链状硅酸根之间，通过阳离子相互结合成束，即 成纤维状硅酸盐，如石棉。
于氧原子组成的四面体的包围之中，这些四面体又通过氧
桥连接成不同的骨架结构。来自沸石分子筛具有如下特点：
➢ 在分子筛骨架结构中形成许多有规则的孔道和空腔， 这些孔道和空腔在分子筛形成过程中充满着水分子和一 些阳离子，其中水分子可以通过加热脱除，形成有规则 的孔道和空腔结构骨架，通道的尺寸大到足够允许客体 分子通过，而阳离子则定位在孔道或空腔中一定位置上。
2. 微孔材料
1）微孔材料的结构及特点 微孔材料多为沸石分子筛，其骨架元素是硅、铝(称为
骨架硅、铝)及与其配位的氧原子，也可以用磷、镓、锗、 钒、钛、铬和铁等元素取代或部分取代骨架硅或铝，而形 成一些杂原子型分子筛。
通常在讨论分子筛时，除非特别指明骨架元素外，一 般均指硅铝分子筛。
分子筛
• 1932年，McBain提出了“分子筛”的概念。分子筛是指 具有均匀的微孔，其孔径与一般分子大小相当的一类物质 。分子筛的应用非常广泛，可以作高效干燥剂、选择性吸 附剂、催化剂、离子交换剂等。
多孔材料
SV SW 14103/2
pA 3
Q1- 2
多孔材料孔隙特性的压汞法测定
基本原理:根据毛细管现象，若液体对多孔材料不浸 润 ，则表面张力将阻止液体浸入孔隙。但对孔材料 不浸润（即浸润角液体施加一定压力后，外力即可克 服这种阻力而驱使液体浸入孔隙中。因此，液体充满 一给定孔隙所需压力值即可度量该孔径的大小 。
多孔金属材料
相对于致密金属材料，多孔金属具有许多优良特性， 如密度小、比表面积大、能量吸收性好、热导率低、 换热散热能力高、吸声性和好、隔音性佳、透过性优、 电磁波吸收性好、阻火、抗热震等。
常用多孔金属材料的材质有青铜、镍、钛、铝、不锈 钢，以及其他金属和合金。在所有多孔金属中受到特 别重视的是泡沫铝。
断面直接观测法
首先通过显微镜或投影仪读出断面上规定长度内的 空隙个数，由此计算平均弦长L。
D L /(0.785)2 L / 0.616
气泡法
气泡法是利用对通孔 2r cos r 2 p
材料具有良好浸润性 的液体浸渍多孔样品， 使之充满开孔隙空间， 然后以气体将连通孔 中的液体推出，依据 所用气体压力来计算 孔径值。
总的来说，目前汽车工业中用量最大的多孔金属材料 还是泡沫铝： （1）轻质结构（2）冲击能吸收（3）噪声控制等 其他优点。
在航天、建筑业、铁道业、造船业等领域的应 用也都是利用多孔金属的以上种种优点；
除了上述工程应用外，多孔金属材料还有另外 一些用途，如以金、银为基体的泡沫金属具有 美丽的外观，可考虑作为潜在的新型轻质珠宝 饰物；泡沫铝用来制造奇特的家具、时钟和灯 具等。
多孔金属的制备
从20世纪初人类开始用粉末冶金方法制备多孔 金属材料算起，多孔金属的制造史已近百年。 所得产品的孔率从原来的百分之十几、二十几 到现在的可达98%以上的高孔率。
多孔材料
气泡法
气泡法是利用对通孔材料 具有良好浸润性的液体浸 渍多孔样品，使之充满开 孔隙空间，然后以气体将 连通孔中的液体推出，依 据所用气体压力来计算孔 径值。
2rcosr2p
气体吸附法
在恒温下，将作为吸附质 的气体分压从0.01-1atm逐步 升高，测出多孔试样对其 相应的吸附量，由吸附量 对分压作图，可得到多孔 体的吸附等温线；反之， 测定相应的脱附量，由脱 附量对分压作图，则可得 到对应的脱附等温线 。试 样的孔隙体积由气体吸附 质在沸点温度下的吸附量 计算。
(1r)10 % 0(1s )10 % 0
孔率的ห้องสมุดไป่ตู้定
1 显微分析法：由显微镜观测出截面的总面积 S0 ，和SP， 再通过如下公式计算出其中包含的孔隙面积多孔体的孔率
：
SP SO
100%
2 质量体积直接计算法：
1VM S 100%
满足本方法试样要求的规则形状是立方体、长方体、球体、圆柱 体、管材、圆片等，减小相对误差的作法是采用大体积的试样。
多孔材料
引言
多孔材料普遍存在于我们的周围，在结构、缓冲、减 振、隔热、消音、过滤等方面发挥着重大的作用。高 孔率固体刚性高而密度低，故天然多孔固体往往作为 结构体来使用，如木材和骨骼；而人类对多孔材料使 用，不但有结构的，而且还开发了许多功能用途。
多孔材料：是一类包含大量孔隙的材料，这种多孔固 体材料主要由形成材料本身基本构架的连续固相和形 成孔隙的流体相所组成，介质为气体和液体。
孔率
多孔体中的孔隙有贯通孔、和闭合孔等类型，这些孔率的
总和就是总孔率，即平时所说的“孔率”。大多数使用过
程均是利用其贯通，只有作为漂浮、隔热、包装及其他结
第12章多孔材料
常见的多孔材料
非晶多孔材料： 非晶多孔材料： 硅胶，氧化铝胶，色谱固定相； 粘土，活性炭等，吸附剂； 结晶多孔材料： 结晶多孔材料： 沸石，氧化硅，MOFs, COFs等，多相催化 剂载体。
3
2. 沸石类材料及结构
特征
4
分子筛可筛分不同大小分子 普通筛子 小于筛孔的物质可以过筛， 小于筛孔的物质可以过筛，大于筛 孔的物质过不去。 孔的物质过不去。 分子筛 小于筛孔的分子进入分子筛后被吸 大于筛孔的分子进不去， 附．大于筛孔的分子进不去，从分 子筛晶粒之间的空隙通过。 子筛晶粒之间的空隙通过。
5
天然沸石的名称多与发现地和发现 者有关 人工合成的沸石常以发现者的工作 单位命名 ： 代表Zeolite Socony Mobil 如：ZSM代表 代表
6
国际分子筛学会(IZA)委员会 委员会 国际分子筛学会 根据IUPAC命名原则： 命名原则： 根据 命名原则 给每个确定的骨架结构赋予一个代码， 给每个确定的骨架结构赋予一个代码， 三个英文字母组成） （三个英文字母组成） 例：FAU代表八面沸石 代表八面沸石 相同结构可有不同组成
24
3. 其它类型沸石
EMT的骨架类型是八面沸石 的骨架类型是八面沸石FAU的一个最简 的骨架类型是八面沸石 的一个最简 单的六方类似物。 单的六方类似物。在EMT中，扭曲的β笼层之 中 扭曲的β 间是镜像的关系。 间是镜像的关系。
Viewed along [001]
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γ笼和八角柱笼连接则形成了MER沸石分子筛 笼和八角柱笼连接则形成了 沸石分子筛 γ笼
8
2. 沸石与分子筛的主要性质 组成可调， 组成可调，孔道规则且孔径在多数 分子的尺寸 非常高的表面积和吸附容量 孔道对吸附物有形状选择性 热/化学稳定性 化学稳定性 易再生
材料学中多孔材料的应用
材料学中多孔材料的应用材料学是一门研究材料的科学，通过对材料的组成、结构、性质、制备和性能等方面的研究，发展出一系列材料制备和改性的方法，为人类的工业生产提供了强大的支撑。
其中，多孔材料是材料学中一个非常重要的研究领域，因为它们具有特殊的结构和性能，被广泛应用于许多领域，包括能源、环境、医学、化学、电子等。
一、什么是多孔材料多孔材料是一种具有空隙或孔隙结构的材料，它们的空隙大小和形状可以控制。
多孔材料一般分为有机多孔材料和无机多孔材料。
有机多孔材料一般是由高分子材料组成的，例如聚合物、胶体、淀粉等，它们的孔径大小一般在纳米或微米级别；而无机多孔材料则是由无机材料组成的，例如金属、氧化物、硅化合物等，它们的孔径大小可以达到纳米级以下。
二、应用领域1.能源领域多孔材料在能源领域的应用主要是基于它们具有大的比表面积和高的孔隙率的特性。
例如在锂离子电池中，多孔材料可以作为电极材料的载体，提高电极的容量和充放电效率；在燃料电池中，多孔材料可以用于制备电解质膜和电极，提高燃料电池的性能和稳定性；在太阳能电池中，多孔材料可以作为散光层或反射层，提高太阳能电池的吸收效率和转换效率。
2.环境领域多孔材料在环境领域的应用主要是基于它们具有吸附和分离等特性。
例如在水处理中，多孔吸附材料可以用于去除水中的有害污染物，例如重金属、染料、农药等；在大气污染控制中，多孔材料可以用于去除气体中的有害气体，例如二氧化硫、一氧化碳、甲醛等；在生物医学领域中，多孔材料可以用于制备一些医用材料，例如药物传递系统、骨密度增强材料等。
3.化学领域多孔材料在化学领域的应用主要是基于它们具有大的表面积和高的孔隙度的特性。
例如在催化反应中，多孔材料可以作为载体或者配位基团，提高催化活性和选择性；在分子分离和分析中，多孔材料可以用于制备固相萃取柱和色谱柱，提高分离效率和选择性。
4.电子领域多孔材料在电子领域的应用主要是基于它们具有大的比表面积和高的孔隙度的特性。
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9.微孔二氧化锗及锗酸盐 氧化锗可以生成多孔材料，Ge-O键长大于 Si-O键长，使得结构中允许的最小键角 （120°~135 °）小于硅酸盐分子筛的130 °~145 °。因此锗酸盐在结构上有更大的自由 度。 10.微孔硫化物 微孔硫化物可以看成是分子筛骨架的氧被硫 所取代，但与氧化物不同的是，在这些硫化物 中由复杂的结构单元Sb3S6、 Sn3S4、Ge4S10等 多面体作为结构基本单元。
•
磷酸铝（AlPO-n)作为类沸石材料， 是另一类分子筛。它们的骨架是由AlO4 四面体和PO4四面体连接而成。从概念 上讲，认为中性的磷酸铝骨架是作为中 性的纯硅分子筛中两个Si被一个Al和一 个P所取代。而且磷酸铝骨架Al或P能被 其它元素多孔材料与它的分类
• 1.1
多孔材料的分类
1.微孔Φ ＜ 2nm 2.介孔 2nm≤Φ≤50nm 3.大孔 Φ＞ 50nm 1.无定形材料 2.次晶材料 3.晶体材料
按孔直径分类
• 按结构特征分类
•
1.2 常用多孔无机材料的制备方法
（1）沉淀法，固体颗粒从溶液中沉 淀出 来生成有孔材料； （2）水热晶化法，如沸石的制备； （3）热分解法，通过加热除去可挥发组 分生成多孔材料； （4）有选择性的溶解掉部分组分； （5）在制造形体（薄膜、片、球块等） 过程中生成多孔（二次孔）。
沸石和分子筛的骨架结构
• 沸石具有三维空旷骨架结构，骨架是由硅氧 四面体 SiO4 4- 和铝氧四面体 AlO4 5-通过共用 氧原子连接而成，它们被统称为TO4四面体（基 本结构单元）。所有TO4四面体通过共享氧原子 连接成多元环和笼，被称为次级结构单元 （SBU）。这些次级结构单元组成沸石的三维骨 架结构，骨架中由环组成的孔道是沸石的最主要 结构特征。 一个骨架结构可以看成是一个或多个次级结 构单元连接而成。
3.高硅沸石（Si/Al＞5） 如：ZSM-5（MFI）、 ZSM-11（MEL）、β 沸 石（BEA） 4.全硅分子筛（Si/Al接近∞） 优势是没有阳离子，与含有阳离子的硅铝 酸盐沸石相比较有较大的有效孔径尺寸。 5.全硅笼合物 笼合物的结构可以看作是由小环（4、5、6或8 元环）组成的笼堆积而成，尽管骨架较为空旷， 但由于其窗口太小，几乎没有吸附能力，如方 钠石。
6.磷酸铝分子筛（AlPO-n) 7.取代的磷酸铝分子筛 磷酸铝骨架可塑性很大，可将不同的金属引入 骨架，而且可同时引入两个或多个金属，改变 其酸性和催化剂性质。与传统沸石合成条件不 同的是这些材料是在酸性或接近中性的条件下 合成的。 8.其它磷酸盐分子筛 如：磷酸镓、含氟磷酸镓、磷酸锌、磷酸铍、磷 酸铁、磷酸钼、磷酸锡（Ⅱ）、磷酸铟和磷酸 钴。其中V、Co、Mo、Sn、Fe、Ga、In的磷 酸盐均含有非四面体单元。
每年10万吨：无磷洗衣粉添加剂 2005年：30万吨A型分子筛 海水淡化、杀菌、杀病毒、干燥、除臭、保 鲜 消除重金属离子：Hg2+ 可持续发展过程中 十分重要： 松花江的治理项目
沸石分子筛的性质
固体酸性催化剂：最大应用，广泛地应 用在石油加工中 Exxon, Mobil, Shell,… GNP的很大 比重 制备方法：NaZNH4Z HZ 国民经济发展的核心技术
硅铝分子筛：亲水
应用：消除环境污染如苯、CO等 香烟过滤嘴：高科技---国家烟草局
沸石分子筛的性质
均一孔径：强烈筛分能力 筛分氧气与氮气：重要应用项目 分子筛膜：水与氢气；氢气与烃 燃料电池重要课题
气体分离
沸石分子筛的性质
强的离子交换能力：nM1m+---mM2n+
洗涤剂：消除水中的Mg2+与Ca2+
（8）阳离子的可交换性； （9）分子筛性质，沸石分离混合物可以基于它们 的分子大小、形状、极性、不饱和度等； （10）良好的热稳定性和水热稳定性，多数沸石 的热稳定性可超过500℃； （11）较好的化学稳定性，富铝沸石在碱性环境 中有较高的稳定性，而富硅沸石在酸性介质 中有较高的稳定性； （12）沸石很容易再生，如加热或减压除去吸附 的分子，离子交换除去阳离子。
第2节 沸石类材料及其结构特征
• 沸石和分子筛的性质 沸石和类沸石分子筛是应用最广泛的 催化剂和吸附剂，其结构的规则有序性， 决定了其性质的可预测性。沸石不同与其 它无机氧化物是因为沸石具有以下特殊性 质：
（1）骨架组成的可调变性； （2）非常高的表面积和吸附容量 （3）吸附性质能被控制，可从吸水性到疏水性； （4）酸性或其他活性中心的强度和浓度能被调 整； （5）孔道规则且孔径大小正好在多数分子的尺寸 范围之内； （6）孔腔内可以有较强的电场存在； （7）复杂的孔道结构允许沸石和分子筛对产物、 反应物或中间物有形状选择性，避免副反应；
11 .八面体氧化物微孔材料（氧化锰、钛酸 盐等） 12 .微孔硼铝酸盐 13 .其它微孔材料 金属有机化合物，具有较高的热稳定 性，可通过加热除去溶剂分子后得到具有 三维孔道结构的分子筛。
沸石分子筛的性质
比表面积大：300-600 m2/g
强吸附性能，且具有选择性吸附气体能力
实例：全硅分子筛：亲油，不吸附水
按所含的SBU分类： 1.双四元环组：LTA等； 2.双六元环组：CHA，GME，FAU，LTL， KFI等； 3.单四元环组：ERI、OFF、LEV、MAZ、 LOS等； 4.五元环组：MOR、MFI、FER等。
按合成方法分类 1.低硅沸石（Si/Al≤2） 如：A型沸石和X型沸石，广泛用于干燥剂和离子 交换剂， A型沸石被广泛用于洗涤剂的添加剂， 替代对环境有害的磷酸钠。合成的A型沸石是钠 型称为4A分子筛；钾交换的A型沸石称为3A分 子筛；钙交换的A型沸石称为5A分子筛。X型沸 石的表面积可达800㎡/ g，水吸附量高达30%。 2.中硅沸石（2＜Si/Al≤5） 如：Y型沸石、丝光沸石（MOR）、 Ω 沸石（MAZ）
---50年代经济制裁的重要内容之一