论文标题：Porous Inorganic Nanomaterials: Their Evolution towards Hierarchical Porous Nanostructures

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-8023/4/2/16

期刊名：Micro

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/micro

来自Leibniz-Institute for Solid State and Materials Research Dresden (Leibniz IFW Dresden)， Querebillo博士团队发表于 Micro 期刊的综述论文 (DOI: 10.3390/micro4020016) 揭示了多孔无机纳米材料向复杂分级多孔结构的演化及其变革性潜力。

1. 简介

当今的科技需要更轻量、性能更优、效率更高的材料（例如更好的催化剂、传感器和能源设备），这也促使了对多孔材料和纳米材料的兴起。多孔材料是具有多孔结构的物质，很适合吸附和催化选择；而纳米材料因其极小的维度（一般为1-100纳米），展示出常不同的光、电、化性。当科学家把这两者结合时，便造成了多孔纳米材料。

1.1. 多孔的类型

根据IUPAC分类，多孔为：

•微孔（<2 nm）

•介孔（介于2~50 nm）

•大孔（>50 nm）

通常我们也会称这些远小于100 nm的孔为“纳米孔”。而当一个材料同时具备两种或更多孔尺度，就被称为“分级多孔结构”，它能同时扩大各类小分子的通行路径和增加表面活性。

图1. 孔隙按尺寸进行分类描述

2. 如何制造分级多孔纳米材料

2.1. 模板法

模板法是指使用有机或无机材料作为“模板”，在材料合成过程中形成孔隙，之后通过去除模板得到所需的多孔结构。

•优点：可以控制孔径和形状，形成有序且可重复性高的孔结构。

•缺点：需要后续移除模板，工艺复杂；存在模板与材料不兼容的问题。

2.2. 无模板法

无模板法不依赖外部模板，而是材料在合成过程中自发形成孔隙结构。

•优点：工艺简便，无需去除模板，制备速度快。

•缺点：难以控制孔隙结构，孔径分布往往不规则，适用性有限。

图2. 模板法（a）与无模板法(b) 制造多孔形成的技术

3. 分级多孔结构的实际应用

3.1. 氧化物类：

•可做防火材料、催化剂、超声波能源充电极

•例如：二氧化鉛(TiO2)分级孔线组织用于阴影架光体太阳电池（DSSC）

图3. 多孔金属氧化物纳米材料及其常见电催化反应：能源转换与存储领域关键反应示意图（包括析氢反应HER、析氧反应OER及氧还原反应ORR），这些反应是多孔纳米材料目前最重要的应用方向之一

3.2. 多孔金属类：

•包括金、鋁、铁、铝等，尤其是精粹金属如金、银等

•例如：纳米多孔金（Np-Au）通过从金-银合金中浸出银元素制备而成，可用于DNA/检测/药物输送等

图4. 电化学还原法制备三维多孔银纳米盒/纳米笼的示意图(A)。(B)扫描电子显微镜(SEM)和(C)透射电子显微镜(TEM)图像展示了合成的三维多孔银纳米盒形貌。(D)中的图像显示了SEM照片及相应的能谱(EDX)分析结果。

3.3. 多孔碳类物质：

•包括激活碳、碳管、炭维等，可结合作为蓄能或催化基设

•例如：维度为140nm的OMC粒子积有微孔+介孔，用于超级电容器

图5， 采用表面活性剂和聚合物模板制备的分级有序介孔碳(OMC)纳米棒：(a) OMC纳米棒的扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)图像；(b) 展示纳米形貌随所用聚合物变化的SEM和TEM图像。

4. 多孔纳米材料与新科技融合

•与人工智能融合，可以分析来自纳米多孔传感器的数据，使设备更加智能。

•与3D打印技术融合：可控制地构造自定义多孔结构

结论

分级多孔纳米材料是实现高性能新型设备的重要方向。他们是高表面积、轻质、展示出多功能性的先锋材料，适用于能源、生物医疗、传感检测、光学器件等多领域。