第十一章多孔材料
多孔材料的应用领域
多孔材料的应用领域多孔材料是指具有多个孔隙的材料，这些孔隙可以是微米级、纳米级乃至更小的尺度。
多孔材料因其具有高比表面积、高孔隙率、低密度和良好的扩散性能等特点，在各个领域具有广泛的应用。
1.催化剂：多孔材料的高比表面积和丰富的孔隙结构使其成为理想的催化剂载体。
多孔材料可以增加催化剂的活性位点，提高催化反应的速率和选择性。
常见的多孔材料催化剂载体包括氧化铝、硅胶、分子筛等。
2.吸附剂：多孔材料具有良好的吸附性能，广泛应用于气体和液体的吸附分离、储氢和储能等领域。
例如，活性炭是一种常见的多孔吸附材料，可以用于净化空气、水处理、废气处理等。
3.分离膜：多孔材料可以制备为薄膜，用于气体和液体的分离，包括气体分离、液体分离和离子分离等。
例如，多孔陶瓷膜广泛应用于液体过滤、纳滤和超滤等领域。
4.储能材料：由于多孔材料具有高表面积和丰富的孔隙结构，可以用于储存电荷和离子，因此可用作电池、超级电容器和燃料电池等储能设备的组成部分。
5.生物医学领域：多孔材料在生物医学领域有着广泛的应用，例如用于药物缓释、组织工程、骨修复和生物传感等。
多孔材料可以具备良好的生物相容性，并可以调控药物的释放速率和组织的生长。
6.监测与传感：多孔材料具有良好的扩散性能，可以用作传感器的感受层。
例如，氧气传感器常使用多孔氧化物材料作为传感层。
7.介质：多孔材料可用作隔热、隔音和阻尼材料。
多孔材料可以通过控制孔隙结构和孔隙分布来改变其隔热和隔音性能。
在汽车、建筑和航空航天等领域，多孔材料被广泛应用于隔热板、吸音板和减震材料等。
8.液体传递：多孔材料的孔隙结构可以调控流体的传递性能，因此在液流调控领域有着重要的应用。
例如，多孔陶瓷材料可以用于液态微阀和微泵等微流控设备。
总的来说，多孔材料由于其独特的结构和性能，被广泛应用于催化、吸附、分离、储能、生物医学、传感、介质和液体传递等领域，正在不断地推动科学技术的发展。
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
多孔材料原理
多孔材料原理
多孔材料是一种具有特殊结构的材料，其内部存在着许多微小的孔洞。
这些孔洞的大小和形状可以根据要求进行调整，从而使多孔材料具有一些特殊的物理和化学性质。
多孔材料在许多领域中都有着广泛的应用，例如催化剂、吸附剂、分离膜、传感器等。
多孔材料的原理主要与其孔洞的结构和性质有关。
孔洞的大小和形状对多孔材料的吸附、分离、传输等性质有着重要的影响。
一般来说，孔洞的大小越小，表面积就越大，从而使多孔材料的吸附能力、催化活性等性质得到提高。
而孔洞的形状则会影响多孔材料的分离、传输等性质。
例如，球形孔洞的多孔材料具有较好的流体传输性质，而棱柱形孔洞的多孔材料则具有较好的分离性质。
多孔材料的制备方法也有很多种，例如溶胶-凝胶法、氧化物沉淀法、模板法等。
这些方法都是基于不同的原理来制备多孔材料的。
例如，溶胶-凝胶法是通过将溶胶中的化学物质在凝胶中形成孔洞，在高温下进行烧结，得到多孔材料的方法。
而氧化物沉淀法则是通过沉淀化学反应来制备多孔材料的。
多孔材料的应用广泛，其中最为重要的应用之一就是催化剂。
多孔材料的孔洞结构可以提高催化剂的表面积，从而使其催化活性得到提高。
例如，许多重要的工业催化剂，如催化裂化催化剂、氧化还原催化剂等，都是利用多孔材料制备而成的。
此外，多孔材料还可
以用作吸附剂、分离膜、传感器等。
多孔材料是一种具有特殊结构的材料，在多个领域中都有着广泛的应用。
其制备方法和性质与孔洞的大小和形状有关，通过调整孔洞的结构和性质可以实现多种应用。
未来，多孔材料还将有更广泛的应用前景，成为材料科学领域的研究热点之一。
多孔材料的合成化学
保温隔热材料
多孔材料具有较高的气孔率和较低的基体导热系 数，所以这种材料具有很好的隔热保温效果。利 用多孔材料的这种优点可以将其用于各种防止热 辐射的场合，以及用于保温节能方面，因此从环 保和节能两方面来说都是有利的。 采用多孔材料建筑材料可以让房屋具有非常好的 保温隔热效果；航天器的热保护系统就广泛采用 了多孔材料
4.1 分子筛的转化机理
固相转变机理 液相转变机理 双相转变机理 液相中硅酸根与铝酸根离子的聚合反应 阳离子的模板效应
固相转变机理
固相转变机理也称之为固相机理，是指沸石晶化 过程总是伴随着无定形凝胶固相的形成，无定形 凝胶的结构重排成为沸石，液相不参与晶化过程。
简单的说，在晶化过程中既没有凝胶固相的溶解， 也没有液相直接参与沸石的成核与晶体生长。在 凝胶固相中，由于硅铝酸盐骨架缩聚、重排而导 致沸石的成核和晶体的生长。
消声器
多孔材料具有丰富的孔隙，当声波传播到多孔材 料上时，在网状的孔隙内引起空气的振动，进而 通过空气与多孔材料基体之间的摩擦，声波的能 量转变成热能而被消耗，从而达到消除噪声的 效果。 如：安装在汽车排气管中间的蜂窝状多孔材料， 用来减少汽车排气管的噪音。 一些新型建筑材料也广泛采用多孔泡沫陶瓷作为 墙体材料。
(2)复合分子筛
• 理想的材料是保持介孔结构的同时，又具 有沸石型孔壁结构的强酸性复合材料。具 有介孔和微孔结构的复合分子筛成为近年 来沸石研究人员颇感兴趣的一类新材料。
(3)定向设计合成
• 由于多孔材料具有特殊的性能，在催化材料和吸 附材料的应用方面显示出巨大的应用潜力。因此 对多孔材料的定向设计合成，具有重要的意义。 多孔材料的定向设计合成，首先要根据性能的要 求，设计出晶体的孔道模型，然后借结构孔道数 据库的帮助来选择和制订理想模型及其稳定存在 的条件，最后在借合成反应库的指导，选择合成 方案和修饰途径。
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。
多孔材料
铁镍合金、合金钢 不锈钢、超合金、不锈钢
碟状、角状 不规则
球形 球形 球形
100～600 较细、均匀
0.1～10 0.1～5 0.1～10 较细
不锈钢
粒状
还原法
气体还原 碳还原 金属热还原
惰性填料中 等离子体枪 垂直炉
钨、钼、铁、钴、镍 铁、钨 钽、铌、钛、鋯
铁、钴、镍 钽、钨、钼 钛、钼
铁钴合金，钨铼合金 钴镍合金
含油轴承
• 粉末冶金含油是一类孔隙中含浸有润滑油的多孔性合金制 品。当轴旋转时，因轴与含油轴承之间的摩擦使含油轴承 的温度升高和泵吸作用 。润滑油含渗出于含渗出于含油 轴承之内径或外径的摩擦表面，当轴停止转动时。润滑油 又回流于含油轴承内部。 因此，润滑油的消耗量是非常 的小，可在不从外部供给润滑油的情况下，长期运转使用。 非常适合于供油困难与避免润滑油污染的场合。
优点：
1、比滚珠轴承噪音小 2、震动小 3、制品简易 4、少量油汁飞溅损失，可长久无给油运转
5、减少后加工作业及即省材料浪费
6、多孔给油特性，不必特殊的给油设备 7、形状设计自由 8、可得到熔制金属无法制造的数种金属以及金属与非金属 复合体，适于大量生产，价格便宜。
3.2.2自润滑原理
• 轴承是支撑旋转轴的机械元件。可以分为 两大类。轴承的内径面与轴的轴面直接接 合，呈滑动摩擦的称为滑动轴承（sliding bearing）；通过滚珠或滚柱支撑轴进行旋 转的称为滚动轴承（rolling bearing）。烧 结含油轴承虽然属于前者，但该类轴承具 有一些特点。
3. 多孔材料
• 粉末冶金多孔材料:又称多孔烧结材料。由 球状或不规则形状的金属或合金粉末经成 型、烧结制成。材料内部孔道纵横交错、 互相贯通，一般有15％～60％的体积孔隙 度 ，孔径1～100微米。透过性能和导热、 导电性能好，耐高温 、低温，抗热震，抗 介质腐蚀。用于制造过滤器、多孔电极 、 灭火装置、防冻装置等。
多孔材料的结构与传热性能研究
多孔材料的结构与传热性能研究导语：多孔材料在工业制造、能源利用等领域有着广泛的应用。
多孔材料的结构对其传热性能有着重要影响，本文探讨了多孔材料的结构与传热性能之间的关系，并介绍了相关研究进展。
一、多孔材料的定义与分类多孔材料是指内部具有孔隙结构的材料，其孔隙可以是连通，也可以是局部孤立的。
常见的多孔材料有泡沫金属、海绵材料、沸石等。
根据孔隙的尺寸，可将多孔材料分为微孔材料和介孔材料。
二、多孔材料结构的表征多孔材料结构的表征方法主要有孔隙率、孔隙尺寸分布、孔隙形状等参数。
孔隙率是指多孔材料中孔隙占据的体积与总体积之比。
孔隙尺寸分布描述了多孔材料中孔隙尺寸的分布情况，一般通过孔隙度曲线进行表征。
孔隙形状对多孔材料的传热性能也有一定影响，常见的孔隙形状有球形、柱状等。
三、多孔材料的传热机理多孔材料的传热机理主要包括导热、对流和辐射传热。
导热是指热量通过材料内部的传递，它受多孔结构的影响较大。
对流传热是指通过多孔材料表面的流体传递热量，多孔结构会改变流体的流动性质，从而影响传热效果。
辐射传热是指热量通过辐射传递，多孔结构会影响材料的吸收、发射和散射特性。
四、多孔材料结构与传热性能研究进展1. 多孔材料结构的优化设计研究者通过改变多孔材料的孔隙尺寸、孔隙分布等参数，以优化多孔材料的传热性能。
例如，可以通过控制孔隙尺寸分布，来改变多孔材料的导热性能。
另外，研究者还通过增加多孔材料的表面积，提高热量的辐射传递效率。
2. 多孔材料的热物性研究多孔材料的热物性对其传热性能有着重要影响。
研究者通过实验测定多孔材料的热导率、热容等参数，以深入了解多孔材料在传热过程中的热特性。
3. 多孔材料的传热模型研究为了更好地预测多孔材料的传热性能，研究者建立了多种传热模型。
这些模型通过考虑多孔材料的结构特征，描述了传热过程中的各个因素对传热性能的影响，从而提高了传热模型的准确性。
五、多孔材料的应用前景与挑战多孔材料具有较高的比表面积和孔隙度，使其在能源储存、催化剂载体、隔声防护等领域有着广泛的应用。
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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。
➢ 在孔道和空腔中的阳离子是可以交换的，经阳离子 交换后，可以使分子筛的催化及吸附性能产生较大的变 化，例如A型分子筛骨架中的钠离子可以被K+、Ca2+所 交换。不同离子交换后的A型分子筛的吸附有效孔径会 发生变化；用稀土离子交换后的Y型分子筛具有很好的 催化反应活性。
2）微孔材料的合成及机理
a）分子筛的合成 传统的分子筛合成是以水玻璃和偏铝酸钠为原理制备
石棉
硅氧四面体共用两 个顶点，形成环状阴 离子结构 ：如绿柱石 Be3Al2(SiO3)6
SiO44- 共三个顶点相联，可形成片状（层状）结构，层 与层之间通过阳离子约束，得片层状硅酸盐。
如云母 KMg3 ( OH )2 Si3 AlO10
金云母
SiO44- 共用四个顶点，结成三维网络状结构，如沸石类。 沸石有微孔，有笼，有吸附性。孔道规格均一。
• 常用分子筛为结晶态的硅酸盐或硅铝酸盐，是由硅氧四面 体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成分子尺寸大小（通 常为0.3~2 nm）的孔道和空腔体系，因吸附分子大小和 形状不同而具有筛分大小不同的流体分子的能力。
硅酸盐结构
硅酸盐结构的图示法
硅酸盐种类极多，其结构可分为链状、片状和三维网络
状，但其基本结构单元都是硅氧四面体。
第十一章 多孔材料
1.多孔材料及分类 2.微孔材料 3.介孔材料 4.大孔材料 5.多孔材料的应用
1. 多孔材料及分类
国际纯化学及应用化学联合会按孔径的大小对多孔材料 进行了分类：
微孔 (孔径 < 2 nm)； 介孔 (孔径 2~50 nm)； 大孔 (孔径 > 50 nm)。
多孔材料是当前材料科学中发展较为迅速的一种材料， 特别是孔径在纳米级的多孔材料，具有许多独特的性质和 较强的应用性，引起了科学界及工商界的重视。美国能源 部曾为用于选择透过膜分离技术的多孔材料研究提供了巨 额资助。
硅铝分子筛，其基本化学过程为
成胶：一定比例的NaAlO2和Na2SiO3在有相当高的pH 值的水溶液中形成碱性硅铝凝胶。
晶化：在适当的温度下及相应饱和水蒸气压力下，处 于过饱和态的硅铝凝胶转化为结晶。不同类型的分子筛的 合成方法如下图所示。
近年来，由于技术的发展，分子筛的合成由传统的水
玻璃和偏铝酸钠为原料向以天然的黏土为原料，在碱性条 件下直接水热合成分子筛的方向发展，比较成功的是以高 岭土为原料合成A型和Y型分子筛。
沸石(Zeolites)的组成和结构 沸石是一类最重要的分子筛，其骨架由顶角相连的 SiO4
和 AlO4 四面体组成 .
分子筛的功能和用途 离子交换功能 吸附功能 分离功能 催化功能
A型沸石的结构骨架
构成硅铝沸石分子筛骨架的最基本结构单元是硅氧四
面体(SiO4)和铝氧四面体(AlO4)，在磷酸铝分子筛中，则为 磷氧四面体(PO4)。在这些四面体中，硅、铝和磷都以高价 氧化态的形式出现，采取SP3杂化轨道与氧原子成键。由 于硅或铝的原子半径比氧原子半径小得多，因此，它们处
在以高岭土为原料时，首先必须将高岭土活化，即在 750~900oC条件下灼烧脱水形成偏高岭土。偏高岭土在一定 的碱性和硅铝比的条件下，于100~150oC水热处理4～6h， 即可得到晶体结构不同的A型分子筛；Y型分子筛则反应条 件比较苛刻，硅铝比也要以高模数的水玻璃配制。
以高岭土为原料制备分子筛的优点是高岭土的硅铝比和 A型分子筛的硅铝比相近，因此分子筛的硅源和铝源可以由 同一种天然黏土矿提供，可以避免使用纯度高的单组分原 料，降低了生产成本，提高了黏土矿的应用领域和产品的 价值。
1993年，美国一个多孔材料研究工作组曾确立了以下10 个方面作为多孔材料在工业生产上的可能应用：a. 高效气 体分离膜； b. 化学过程的催化膜；c. 高速电子系统的衬底 材料；d. 光学通讯材料的先驱体；e. 高效隔热材料； f. 燃 料 电池 的 多 孔电 极 ； g. 电 池 的 分离 介 质 和电 极 ； h. 燃料(包括天然气和氢气)的存储介质；i. 环境净化的选择 吸收剂；j. 可重复使用的特殊过滤装置。
根据孔径的大小，可筛选分子，称沸石分子筛。
由于沸石分子筛的孔道一致，故对分子的选择性强，不同于 活性炭，见下图的对比。
吸附量
吸附量
活性炭
分子半径
沸石分子筛
分子半径
石油工业上广泛使用沸石分子筛做催化剂或催化剂载体。
硅铝分子筛 (Molecular sieves)
A型沸石 Na2O ·Al2O3·2SiO2·5H2O