2.1　多級孔材料概述

目前，盡管不同孔徑尺寸的多孔材料在結構設計和形貌調控等方面取得了很大的進展，然而微孔、介孔和大孔材料在許多應用領域各有優缺點。例如微孔材料因其具有較小的孔道尺寸、較高的水熱穩定性、較窄的孔徑分布以及較多的催化活性位點等優點，能夠對某些材料進行分子級別的篩選。微孔材料可以根據孔徑本身與分子直徑大小的匹配程度來控制分子的出入，而有機大分子或生物大分子由于其尺寸相對微孔過大而很難在其孔道內進行擴散與傳輸，使其不適用于大分子化合物的分離和催化反應等。微孔材料的上述特點限制了其只能應用于涉及小分子的領域。介孔和大孔的引入解決了微孔材料孔徑尺寸小的限制問題，介孔材料和大孔材料不僅具有可以提供物質進行催化和吸附作用時所需要的孔尺寸與結構，而且還提供了物質傳輸過程中所需要的較大孔道結構。大孔結構對大分子具備良好的運輸性質，尤其是對于微孔無法傳輸的聚合體、生物大分子或高黏度系統，大孔的運輸優勢尤為明顯。

多級孔材料是具有兩種或兩種以上不同孔徑結構的一種新型多孔碳材料。最初是人們在合成大孔材料過程中，發現大孔材料具有足夠厚度的孔壁，而后通過各種策略設計合成出孔壁由介孔或微孔組成的大孔材料，使得多級孔材料作為一種新興材料真正成為多孔材料領域的研究熱點。根據孔徑分布和類型，多級孔材料可以是二級孔，如（Ⅰ）微孔-介孔、（Ⅱ）微孔-大孔、（Ⅲ）介孔-大孔，也可以是（Ⅳ）微孔-介孔-大孔同時存在的三級孔結構。此外，多級孔材料體系中還可以包括同種類型但是不同尺寸的同級孔結構，比如微孔-介孔-介孔復合孔材料、介孔-介孔-大孔復合孔材料。典型的多級孔材料的分類示意圖如圖2.1所示。

圖2.1　多級孔材料的分類示意圖

多級孔材料可以綜合各級孔材料的優點：一方面，微孔和介孔對客體分子的大小和形狀具有選擇性，提高主客體分子之間的相互作用；而大孔結構能夠促進客體分子擴散到活性位點，對于大分子的擴散非常重要。另一方面，微孔和介孔能夠保持高的比表面積，相互貫通的大孔可以實現液體或氣體的高通透性，從而達到良好的吸附效果和分離性能。因此，多級孔材料從結構上避免了孔徑較小時氣體和液體擴散效率低，而孔徑較大時又會因為比表面減小導致吸附分離能力降低的問題。這些特點決定了多級孔材料具備高的擴散性、高的吸附能力和高的接觸面積，使其在擴散、傳質、吸附和分離等方面應用時具有優越于單一孔材料的獨特優勢。近年來，隨著研究的不斷深入，設計和開發具有可控孔道結構的多級孔材料一直是材料科學研究的重要領域之一。