什么是介孔？

摘要：说明：本文系统解析了介孔材料的定义、分类、制备方法及关键表征技术（XRD、TEM、BET等），并重点探讨其在催化、能源存储、环境治理等领域的创新应用。读者可快速掌握介孔材料的核心特性与前沿进展，为材料设计、工业催化优化或污染物治理提供实用参考。

说明：本文系统解析了介孔材料的定义、分类、制备方法及关键表征技术（XRD、TEM、BET等），并重点探讨其在催化、能源存储、环境治理等领域的创新应用。读者可快速掌握介孔材料的核心特性与前沿进展，为材料设计、工业催化优化或污染物治理提供实用参考。

介孔的定义

介孔（Mesopores）是指孔径在2nm-50nm之间的孔隙结构，这一定义来源于国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）对多孔材料的分类标准。根据IUPAC的定义，孔径小于2nm的孔隙称为微孔（Micropores），而孔径大于50nm的孔隙称为大孔（Macropores）。

介孔材料（Mesoporous Materials）是一类具有介孔结构（孔径在2-50nm之间）的材料，介孔材料因其独特的物理化学性质，在多个领域具有广泛的应用前景。其高比表面积、均匀的孔径分布、可调控的孔结构、良好的稳定性和可功能化表面等特点，使其在催化、吸附、分离、生物医学和能源存储等领域表现出优异的性能。随着合成技术和应用研究的不断进展，介孔材料的应用范围和性能将进一步拓展和提升。

介孔的分类

按照化学成分对介孔材料进行分类，可将其分为无机介孔材料和有机-无机杂化材料。

无机介孔材料

硅基材料：MCM-41（六方孔道）、SBA-15（大孔径，~10 nm）、KIT-6（三维立方结构）

金属氧化物：介孔TiO2（光催化）、Al2O3（催化剂载体）、ZrO2（酸性调控）

碳基材料：有序介孔碳（CMK-3，硬模板法合成）

有机无机杂化材料

PMOs（周期性介孔有机硅）：孔壁嵌入有机基团（如乙烷、苯环）

金属有机框架（MOFs）衍生物：部分MOFs具有介孔结构

介孔的应用

介孔材料因其独特的物理化学性质，在多个领域具有广泛的应用。

催化领域：介孔材料可以作为催化剂载体，提高催化剂的分散性和活性，从而提高燃料电池的性能和寿命。还可以用于光催化降解有机污染物，如二氧化钛（TiO2）基介孔材料在光催化降解染料和有机污染物方面表现出优异性能。

吸附与分离领域：介孔材料可以用于去除水中的重金属离子（如铅、汞）、有机污染物（如染料、农药）和微生物，提高水质。还可以用于分离和提纯工业气体，如二氧化碳（CO2）捕获与存储（CCS）技术中用于分离CO2和氮气。

能源存储领域：介孔材料可以作为电极材料或电极材料的载体，提高电池的比容量、循环稳定性和倍率性能。还可以用于制备高性能的电极材料，提高电容器的比电容和能量密度。

介孔的制备方法

介孔的制备方法包括模板法（硬模板法和软模板法）、溶胶凝胶法以及后处理修饰法。其中硬模板法是利用硬质模板（如SiO2、碳纳米管等）制备介孔材料；软模板是通过表面活性剂或聚合物模板制备介孔材料。溶胶凝胶法是硅源（如TEOS）水解缩聚与模板协同成孔，后处理修饰法是通过孔壁掺杂（金属、氮原子等）以及表面官能团修饰（-SH、-NH2）等方法来制备介孔。

DOI：10.1039/c0cs00186D

DOI：10.1021/ed079p854

介孔的表征方式

XRD

XRD通过小角度区（通常2θ

DOI：10.1016/j.colsurfa.2021.127261

该文章通过以介孔材料MCM-41为载体负载磺胺酸（Sulfamic Acid, SA）作为新型、高效且可重复使用的固体酸催化剂，上图展示了MCM-41及其不同SA负载量的XRD低角衍射图。

从图中可以看出MCM-41在2θ=2.1°、3.65°和4.11°处有三个明显的衍射峰，分别对应(100)、(110)和(200)晶面反射，表明MCM-41具有良好的六方介孔结构。在5SA/MCM-41和20SA/MCM-41的2θ=2.15°、3.7°和4.13°处有特征衍射峰，说明即使在加入少量SA后，MCM-41仍保持其六方介孔结构。

而在55SA-MCM、75SA-MCM和90SA-MCM中可以看出衍射峰强度降低，且3.7°和4.13°处的峰消失，这表明随着SA含量的增加，MCM-41的有序介孔结构受到了一定程度的影响。

上表为根据布拉格方程计算得出的数据，由表可知孔径也随着SA含量的增加而减小，从纯MCM-41的3.37 nm逐渐降低到90SA-MCM的3.07 nm，进一步证实了SA含量的增加影响了介孔结构。

TEM/SEM

TEM通过电子束穿透样品直接成像介孔孔道的二维/三维排列（如MCM-41的六方孔道），结合电子衍射可验证长程有序性；SEM则利用二次电子信号显示介孔材料的表面形貌与孔径分布，适用于快速观测大范围介孔形貌（如SBA-15的蠕虫状孔道或分级孔结构），两者互补揭示介孔的空间排布与结构缺陷。

DOI：10.1016/j.colsurfa.2021.127261

上图为MCM-41（a）和55SA/MCM（b）的TEM和SEM表征图像，从图中可以看出，纯MCM-41显示出规则的球形颗粒，具有有序的介孔结构，排列成六角形蜂窝状晶格，表面光滑；这种有序排列与XRD数据一致，表明MCM-41具有良好的六方介孔结构。

在55SA/MCM-41表征中观察到一些SA颗粒的聚集，这些聚集表现为较大的暗斑点，表明在较高SA含量下，SA颗粒开始在MCM-41表面聚集，对介孔结构产生了一定的影响。EDX图像显示55SA/MCM中检测到了S、N和O元素的衍射峰，且实验原子比接近理论值。这表明55SA/MCM不是简单的物理混合物，而是SA均匀分散在MCM-41表面。

BET

BET通过氮气吸脱附等温线分析介孔材料的比表面积、孔径分布和孔容特性，利用多层吸附理论和毛细管凝聚现象（如IV型等温线的滞后环）揭示介孔结构的孔径大小及连通性，结合BJH模型计算孔径分布曲线，定量表征2-50 nm范围内介孔的物理吸附性能。

DOI：10.1016/j.colsurfa.2021.127261

上图为纯MCM-41及其不同SA负载量的样品的N2吸附-脱附等温线以及孔径分布图。由图可知，纯MCM-41显示出典型的IV型吸附-脱附等温线，带有H2型滞后环，这表明其具有均匀的介孔结构且平均孔径约为3.37 nm。

随着SA负载量的不断增加，吸附等温线的吸附体积不断降低，表明孔隙体积也在不断减少，且平均孔径减少至3.07 nm，这与XRD计算的结果一致。进一步说明了SA的含量的增加对MCM-41的介孔结构产生了影响。

SAXS

SAXS通过分析X射线在小角区域的散射信号（通常0.1°

上图为MCM-41材料的小角X射线散射（SAXS）的衍射图样，从图中可以看到多个衍射峰，这些峰与预期的二维六方结构一致，同时测量的晶面间距为4.57 nm，这与MCM-41的六方介孔结构相符合。最后观察到的反射数量表明样品具有高质量的有序结构，确认了材料的六方结构。

总结

介孔材料因其独特的孔隙结构和高比表面积，在催化、吸附、药物传递、传感器等领域展现出广阔的应用前景。近年来，研究者们通过模板法、自组装等技术不断优化介孔材料的合成方法，进一步拓展了其在新能源、环境治理等领域的应用潜力。未来，随着合成技术的不断创新和应用研究的深入，介孔材料有望在更多领域发挥关键作用，为解决全球性挑战提供新的思路和方案。

推荐综述