能源介孔材料

2022-02-16李伟

科技视界 2022年1期

●李伟

万物皆有孔，孔中乾坤大

多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成的网络结构材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成，如蜂窝。最为常见的就是木材，木材中间有很多细小的孔洞，千百年来，这些天然的多孔材料被人们广泛利用，用于建造房屋、船只，古罗马时代就被用于酒瓶的瓶塞等。一般来说，多孔材料都具有大的表面积和连通的孔道结构，能够为物质的传输提供通道，如自然界中的叶脉的传输系统、人类的呼吸系统、血液循环系统等。

近代人们开始自己制造多孔材料，其中最简单的是由大量相似的棱形孔洞组成的蜂窝状材料，可用作轻质构件。更常见的是高分子泡沫材料，如海绵，其用途广泛，可用于小到随处可见的咖啡杯，大到飞机坐舱的减震垫等。现代技术的发展使得金属、陶瓷、玻璃等材料也能像聚合物那样发泡。这些新型泡沫材料正逐渐地被用作绝缘、缓冲、吸收冲击能量的材料，从而发挥了其由多孔结构决定的独特的综合性能。多孔材料典型的优点是相对密度低、相对强度高、比表面积高、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等,其应用范围远远超过单一功能的材料,而在航空、航天、化工、建材、冶金、原子能、石化、机械、医药和环保等诸多领域具有广泛的应用前景。

介孔材料凭什么开创应用新领域

按照国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）的规定，多孔材料可分为三大类，孔径小于2 nm的为微孔材料，如沸石；孔径处于2～50 nm之间的为介孔材料，如天然粘土；孔径大于50 nm的为大孔材料，如海绵（图1）。1992年国际著名美孚石油（Mobil）公司的研究人员首次成功地合成出介孔材料，是多孔材料领域里程碑式的发展，引发了介孔材料研究热潮，开创了全新领域。与微孔材料相比，介孔材料孔径更大，适合大分子参与的反应过程。与大孔材料相比，介孔材料具有更大的比表面积和活性位点，显示独特的纳米限域效应。在能源、健康、信息等领域应用中，具有不可替代的地位，给化学和材料的领域发展带来了一场革命。

图1 多孔材料分类

能源是现代社会的动力和源泉，是人类活动的物质基础，人类的发展史就是能源的使用史。当前人类使用的燃料和能量大多来自化石能源。而且，在可预见的未来，化石能源仍将是人类最主要的能量来源。因此，高效利用有限的化石资源尤其重要，因为我们目前还没有可替代的资源和技术来提供人类所需的如此大量的能源。我国石油资源严重短缺，2018年原油消耗量已高达～7亿吨，对外依存度已超过～67%，并逐年攀升。更为严峻的是，我国原油中平均渣油含量高达47.8%，很难转化成高附加值的产品，如汽油、柴油等。这是因为渣油分子量大、组分复杂、杂质多、粘度高等，在传统微孔分子筛催化剂中扩散困难、易导致催化剂中毒失活等。介孔材料由于其大孔径、弱酸性、可调结构等突出优点，在渣油大分子加氢裂化催化应用中，表现出非常优异的性能，我国科学家已经实现了这一技术的工业化应用（图2）。

图2 介孔材料在石油化工中的应用

另外，介孔材料在生物质大分子的转化过程中也发挥着不可替代的作用。生物质能够提供大量可再生的碳，是太阳能高效利用的一个重要途径。将生物质高效转化为高质量的燃料和化学品是一项长期的任务。通常，生物质转化过程涉及到将庞大的生物大分子分解成小的基础分子，再对这些小分子进行进一步加工，最终生成高附加值的产物。介孔材料大的孔径、高的比表面积，能够加速物质的扩散，并使它们更容易接近反应活性位点，从而帮助促进生物质的转化。

能源搭上介孔，许多记录将被改写

太阳能是人类的终极能源，太阳能的高效利用具有非常重要的意义，是科技发展的战略制高点。利用光催化反应将太阳能转化为高附加值的燃料是太阳能利用的另一条潜在的途径。首先，太阳能燃料可以减少人们对传统化石能源的依赖。其次，与传统化石能源相比，低碳氢比的太阳能燃料更加的绿色和清洁，有助于温室气体的减排和低碳经济的实现。更重要的是，太阳能燃料燃烧产生的水和二氧化碳又可以作为生产太阳能燃料的原料，形成生态平衡的闭环。介孔材料是理想的催化剂，将太阳能转化氢气、甲烷等清洁燃料，并实现燃料的高效转化生成电能（图3）。介孔材料高的比表面积提供了大量的活性位点，大的孔径和孔容促进了反应物和产物的传输，纳米孔道的限域效应增强了界面催化反应等。

图3 介孔材料在太阳能转换中的应用

太阳能、风能等可再生能源都存在不稳定性和间歇性的问题，对电网的可靠性造成很大冲击，其有效利用必须依赖于高效的储能技术。随着全球可再生能源的普及应用、电动汽车产业的迅速发展以及智能电网的建设，储能技术成为制约或促进能源发展的关键环节。智能电网通过储能装置进行电网调峰，以增加输配电系统的容量及优化效率。储能的本质是实现对电能的储存，在需要的时候释放出来。

在众多储能技术中，技术进步最快的是电化学储能技术，是指通过电池对电能直接进行存储和释放（图4）。其中，锂离子电池一经问世，就以其高能量密度、长循环使用寿命等优势席卷整个消费类电子市场，现在已成为支撑和限制新能源汽车发展的关键核心技术。与此同时，全钒液流电池、铅炭电池等技术经过多年的实践积累，正以其突出的安全性能和成本优势，在大规模固定式储能领域快速拓展应用。此外，锂硫电池、钠离子电池、锌空气电池、固态锂电池等新兴电化学储能技术也如雨后新笋般涌现，并以越来越快的速度实现从基础研究到工程应用的跨越。其核心的关键之一是储能电极材料的发展，介孔材料在电化学储能技术中也大放异彩，其相互连通的孔道结构不仅有利于电解液的快速传输，还有助于缓冲充放电过程的体积变化以及缓存放电产物等，表现出巨大的应用潜力。