有机材料发展近况.docx

有机材料发展近况科学是有组织的自然行为的知识及其对人类福利的应用。多孔结构也是自然过程所固有的。蜂窝是蜂蜜的“大手术”，是一种多孔结构。它储存蜂蜜，皇家果冻[1]和花粉[2]以及容纳巢。海绵是在其身体表面有毛孔的水生动物。孔隙管理稳定的水通量通过他们的身体过滤食物，吸收氧气，并消除废物。天然多孔结构及其用途为材料科学家提供了在人造结构中模仿它们的想法。因此制造的多孔有机材料设法获得它们的孔隙率通过无效的分子堆积，其在组分分子具有凹陷时发生。图1a示出了示例性凹形原型。这种凹形可以形成互连网格（图1b），例如COF-5（COF =共价有机骨架）[6]，其由分子结构单元形成（图1c）。多孔有机材料有效地吸收温室气体如二氧化碳和甲烷[7-13]温室气体排放的增加对环境造成破坏性影响。多孔有机材料也可以有效地应用于气体分离[14-20]催化，[21-26]能量存储[27-35]质子传导[36,37]半导体[38-44]光催化和光致发光，太阳能电池中的[45-58]光能转换 [59]对映体分离[60,61]药物递送和释放[62],碘吸附[63,64],从水/其他液体中检测和去除污染物/污染物[65-70]以及其他必要应用。如当前建议叙述的标题所示，多孔有机材料是指包括孔（空隙）的烃。符合IUPAC建议，具有与多孔结构的外表面的连续连接路径的[71]个孔称为开孔。另一方面，与其它孔分离的孔称为闭孔。图2a示出了多孔介质的横截面。如所定义的，孔1和2是封闭孔，而孔3和4是开放孔。开放的毛孔起着关键作用在流体动力学和气体吸附中的作用。从应用的角度来看，材料化学家对开放孔隙感兴趣。 IUPAC还将多孔材料根据其孔径分类为微孔（孔宽度小于2nm），中孔（孔宽度在2和50nm之间）和大孔（孔宽度大于50nm）。图2b示出了多孔有机材料的结构，即，3D-Py-COF（三维芘基共价有机骨架）[73]，示例性开放孔。多孔有机材料具有描述材料势在必行的一些属性。IUPAC如下定义多孔固体的属性：“孔体积”（Vp）是指“通过必须说明的给定方法测量的”孔的体积。“孔隙率”由“总孔体积Vp与颗粒或粉末的表观体积V（不包括颗粒间空隙）的比值”给出。通常，多孔固体的表面积表示为“比表面积”由“每单位质量材料的固体表面的可接近（或可检测）面积”给出。“孔径”被描述为“孔的两个相对壁之间的距离（圆柱形孔的直径，狭缝状孔的宽度）”。“孔径分布”可以由作为rp的函数的导数dAp/drp或dVp/drp表示，其中Ap，Vp和rp是壁面积，体积和半径毛孔。所讨论的尺寸在这里是半径，这意味着孔已知为或假定为圆柱形。在其他情况下，rp应由宽度替换。鉴于迄今讨论的多孔结构/介质，现在是我们分析单个“孔”的性质的时候。多孔介质的孔隙空间[74]通常相对于单孔被考虑，其定义可以被阐明主观如下：孔隙空间可以被认为是允许流体通过它们的毛细管的汇编。这种毛细管的相对狭窄的部分被称为“孔开口”，而毛细管的相对较宽/更宽敞的部分被称为“孔体”。图3a示出了在毛细管中卸载和加载流体的机制。孔隙压力P由整个卸载过程中的孔隙开口和整个加载过程中的孔隙体控制。在过程中在毛细管中卸载流体，孔隙压力减小（P 1 P 2 P 3 P 4），并且在气液界面处形成的弯月面的曲率半径稳定地增加。当在孔开口的最狭窄部分处的界面不能接受弯月面的曲率半径的稳定增量时，这继续直到一点（如图3a中的位置4所示）。相反，液体立即离开用于其它较窄的毛细管。类似的情况在毛细管中加载流体的过程中在孔体的最宽敞的部分产生。代替弯月面的曲率半径的稳定减小，液体立即填充整个毛细管（如图3a[75]中的位置8所示）。通过这种装置填充和未填充的空间被称为单个“孔”。图3b示出了COF-30076，其中流体占据了例示毛细管的孔。当考虑多分子层的吸附时，当考虑单分子层[77-79]和Brunauer-Emmett-Teller理论的吸附时，应用多孔有机材料对气体的吸附以分析利用Langmuir理论的材料的比表面积。材料的孔径和孔径分布可以通过采用密度泛函理论（DFT）从气体吸附等温线来评估[81-83]。图3c说明了脱气的COF-300粉末的氮吸附等温线和使用DFT从氮吸附等温线估计的COF-300的孔径分布。本文将重点介绍多孔有机材料的设计，结构-功能相关性和应用。基于物质的状态，多孔有机材料可以分类为多孔固体和多孔液体[84]。多孔固体包括超交联聚合物（HCP）[85]，固有微孔性（PIM）聚合物[86]，共价有机骨架（COF）多孔聚合物（CMP）[87],共价三嗪骨架（CTF）[88]，多孔芳族骨架（PAF）[89]，外部多孔分子[90]和多孔有机笼[91]。本评价涵盖了微孔和中孔有机材料的家族，不包括大孔有机材料。此外，天然多孔有机材料和混