【写作竞赛】小孔中的学问——多级孔道分子筛的合成

分子筛是一种重要的多孔材料,半个世纪以来一直广泛的活跃在三大传统工业领域:作为吸附材料用于工业与环境上的分离、净化、干燥;作为催化剂用于石油化工和煤化工过程;作为离子交换材料用于洗涤及废液处理等等。此外,随着学科交叉的日益广泛与深入,分子筛在高新技术领域的应用(如微电子、分子器件、生物化学等)也蓄势待发,前途无限。

也许很多人并没有见过分子筛的微观结构,那么单是听“分子筛”这个名称,你会想到什么呢?没错,就像它的名字一样,它是可以按照大小区分分子的、筛子状的一种多孔材料。比分子筛孔道直径小的分子可以顺利穿过,比它大的分子则受到阻碍,从而实现了形状选择性的功能。由此可见,孔道直径在这里扮演了十分重要的“守门人”作用。我们规定,孔道直径在2nm以下的叫做微孔,孔道直径在2~50nm的叫做介孔,而大于50nm的我们统称为大孔。

目前合成单一的微孔、介孔或者大孔分子筛的技术已经较为成熟,但是单一孔道的缺陷也是显而易见的:孔道过大择形效果较差,孔道较小则很容易在内部积累各种物质,造成积碳失活。所以合成一种同时具有多种孔道的分子筛从而兼备择形功能与分子扩散优势就成为科学家们共同的愿望。我们也称之为具有多级孔道的分子筛。

最近,日本科学家Watcharop Chaikittisilp等人发现了一种新的合成多级孔道分子筛的方法,这种方法可以通过简单地一步操作合成同时具备微孔、介孔和大孔的分子筛。合成过程如下图1所示,这种方法合成的分子筛具有垂直交叉的孔壁,在不同的交叉位点形成不同直径的孔道。他们还通过一系列的实验研究了合成所需的最适宜的前驱物质和合成条件,并用电子显微镜、X射线衍射等先进的手段观察了在合成过程中分子筛的变化过程,清晰的展现了多级孔道的生成过程,为今后成功制备其他类型的多级孔道分子筛奠定了有利的基础。相关文章发表在Angewandte Chemie上(DOI:10.1002/anie.201209638)。

多级孔道分子筛优良应用性能是其不断发展的巨大推动力,从实际应用的角度出发,更加有效、安全、无污染的合成我们所需的多级结构是分子筛合成发展的重要方向。 分子筛,这个看似“古老”的多孔材料,将伴随更加精彩纷呈的变化展现出新的生机。