趙東元院士/馬玉柱團隊聯(lián)合劉健教授：介觀結(jié)構的多孔納米反應器
介觀結(jié)構的多孔納米反應器
在自然界中，化學反應往往發(fā)生在細胞、細胞器、病毒等密閉空間內(nèi)。得益于細胞多層次的中空結(jié)構和特定的生化功能，化學轉(zhuǎn)化可以在納米級甚至分子和原子水平上進行調(diào)控。受大自然的啟發(fā)，目前已經(jīng)采用多種合成策略設計了多種具有明確中空結(jié)構和可調(diào)節(jié)分層空間的納米結(jié)構材料：多孔納米反應器。納米反應器通常被認為是一個納米范圍內(nèi)的小隔間(具有亞微米尺寸)，分子可以通過隔室的膜或殼進行交換，如納米孔、中孔通道和納米空腔，具有擇形催化效應（如分子篩材料）、約束效應和偶聯(lián)效應。在其應用方面，密閉的空腔極大增強了反應物的富集程度，通過將多個催化官能團放置在順序定位的隔間中來實現(xiàn)級聯(lián)反應，從而提高了反應速率和時空耦合。此外，多孔納米反應器的分區(qū)化對于混合儲能技術也很有價值，它具有緩沖空間、傳質(zhì)通道和孔隙體積，可以減輕體積膨脹并產(chǎn)生更高的能量密度。這些特性使材料具有多種功能，為許多領域的研究提供了平臺。
本文基于自組裝和界面化學的模板策略，將多孔納米反應器的合成分為液-固硬模板、液-液軟模板和界面化學裁剪三種方法，這些已經(jīng)發(fā)展成為構建先進納米反應器的通用途徑。擴展自下而上的自組裝方法，調(diào)整化學鍵和分子相互作用，將最小的單元縫合成理想的結(jié)構，同時結(jié)合“化學裁剪”策略，通過配體競爭和溶劑溶解有序地分解形成材料，是精確調(diào)控納米反應器結(jié)構的一項有前途的策略。該策略具有很高的通用性，已用于合成一系列獨特結(jié)構和不同組分，包括聚多巴胺、SiO2、MOFs和其他類型的金屬化合物。然而，目前在控制納米反應器內(nèi)部的多室結(jié)構（如腔室數(shù)量、分布和孔隙率）方面仍面臨挑戰(zhàn)。相比之下，液-液界面組裝策略可以更好地解決這些問題，有助于調(diào)節(jié)腔室數(shù)量、分布和殼層的孔隙度。這一方法有望在納米尺度、分子或原子水平上構建多層次、高精度的納米反應器。 多孔納米反應器型材料可以引發(fā)特殊的結(jié)構-活性相互作用，包括空腔限域效應、傳質(zhì)擴散和活性位點協(xié)同效應。納米反應器中明確的空腔結(jié)構可以形成局部高度富集的反應物微環(huán)境，大大提高分子的有效碰撞率幾率，從而提高整體的化學反應速率。中間體及目標產(chǎn)物的擴散主要與孔隙結(jié)構、腔室結(jié)構有關。同時，納米反應器還可以提供多層次、多維度（如殼內(nèi)外或不同腔室之間）的空間來錨定位點。這使其成為研究活性位點之間協(xié)同效應及其獨特催化反應機理的理想平臺。 化學成分可調(diào)的納米反應器在空間劃分、功能和微觀結(jié)構等方面具有天然細胞的特性，并且多孔納米反應器具有明確的孔結(jié)構和空間分離的活性位點，能夠促進分子的傳質(zhì)、富集和大小篩選，在催化、儲能和生物醫(yī)學等領域具有重要意義。在催化過程中，多孔硅碳納米反應器提供了高效的傳質(zhì)通道和多功能組分，確保多步反應的時空耦合。在儲能領域，具有不同活性成分（例如碳和金屬氧化物）的中空多殼結(jié)構有望減緩離子穿梭效應，并緩解充放電循環(huán)過程中的體積膨脹問題。在生物醫(yī)學應用中，這類反應器通過可調(diào)節(jié)的孔隙大小為蛋白質(zhì)、酶或藥物的裝載提供了靈活的空腔結(jié)構。 本文從合成化學的角度出發(fā)，重點介紹了基于界面模板策略的剛性多孔納米反應器的構建。同時，定義了多孔納米反應器的基本結(jié)構特征，并討論了其結(jié)構設計原理和合成方法，以及它們在儲能和多相催化領域中的新興應用。最后，我們展望了未來納米反應器發(fā)展的方向與設計挑戰(zhàn)，并提出了可能的多孔納米反應器優(yōu)化策略，以促進未來應用。 致謝：該論文獲得了國家自然科學基金和內(nèi)蒙古自然科學基金的支持。此外，因發(fā)展需要，內(nèi)蒙古大學趙東元/馬玉柱團隊誠聘博士后，待遇豐厚（年薪35+，詳見官網(wǎng)），歡迎進入團隊工作，有意者可發(fā)送簡歷至趙老師郵箱（dyzhao@fudan.edu.cn），并抄送至馬玉柱老師（yzma@imu.edu.cn）。馬玉柱，內(nèi)蒙古大學能源材料化學研究院，研究員，駿馬計劃B1 崗引進人才，博士生導師，趙東元院士團隊成員。主要從事新型功能介孔材料的設計，尤其是多腔不對稱介孔復合材料的可控制備及其在串聯(lián)催化、儲能等領域的應用-構效關系研究工作，在Nat. Rev. Chem., Nat. Synth., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Edit., Adv. Mater., ACS Nano., Nano Lett.等期刊上發(fā)表論文 20 余篇。現(xiàn)任 eScience、Polyoxometalates、Microstructure等期刊青年編委。曾獲上海市優(yōu)秀畢業(yè)生獎、NRE Young Star Researcher Award以及新材料創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型青年人才等。主持國家自然科學基金面上項目，國家重點研發(fā)子課題，內(nèi)蒙古自治區(qū)科技突圍項目課題、內(nèi)蒙古自治區(qū)青年科技人才項目，內(nèi)蒙古自治區(qū)青年科學基金，企業(yè)橫向課題等。郵箱：yzma@imu.edu.cn. 
劉健，現(xiàn)任內(nèi)蒙古大學化學化工學院教授、博士生導師，院長；入選教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授 (2022年)、國家海外高層次人才引進計劃(2017年)等。連續(xù)六年入選科睿唯安高被引學者（2018-2023年）。長期致力于納米多孔材料的設計合成及在能源、催化相關領域的基礎應用研究，在催化納米功能材料的設計合成與應用、納米反應器構筑等方面取得了一系列重要的原創(chuàng)性成果。迄今以第一作者及（共同）通訊作者在包括 Nature Mater. (1篇), Nature Rev. Chem. (1篇), Nature Synth. (1篇), Nature Commun. (4篇), Angew. Chem. Int. Ed. (15篇), Adv. Mater. (5篇), Natl. Sci. Rev. (2篇) 等刊物發(fā)表正式論文220余篇，所發(fā)表論文被SCI引用超過 27000余次，H因子為79。撰寫英文書籍10章，發(fā)表專著一本。曾獲得第14屆國際催化大會青年科學家獎（2008），國際先進材料協(xié)會獎章（IAAM Medal, 2021），中國化工學會基礎研究獎二等獎（2021，排名第一）等獎項。現(xiàn)任Elsevier旗下雜志《Materials Today Sustainability》主編、《國家科學評論》等期刊編委。
趙東元院士，中國科學院院士、第三世界科學院院士。主要從事介孔材料的可控合成及催化、能源、環(huán)境、生物應用研究，發(fā)展合成了19種復旦大學命名的介孔材料及系列新組分、結(jié)構的有序介孔材料，提出了一系列合成新方法體系，取得了國際公認的開創(chuàng)性成果，發(fā)表SCI論文800余篇，包括Science, Nature, Nat. Mater., Nat. Chem., JACS, Angew, Adv. Mater等頂級期刊，被引12萬余次。獲國家自然科學一等獎、國家自然科學二等獎、何梁何利科學進步獎、中國化學會-化學貢獻獎、中國分子篩成就獎等國內(nèi)外重要獎項，任國際介觀材料協(xié)會主席、ACS Central Science執(zhí)行編輯、National Science Review副主編等。現(xiàn)任復旦大學化學與材料學院院長，復旦大學黨委常委、統(tǒng)戰(zhàn)部部長，內(nèi)蒙古大學能源材料化學研究院院長。郵箱：dyzhao@fudan.edu.cn。Ma, Y., Li, H., Liu, J. et al. Understanding the chemistry of mesostructured porous nanoreactors. Nat Rev Chem (2024). https://doi.org/10.1038/s41570-024-00658-3
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