有序介孔材料是上世紀(jì)90年代迅速興起的新型納米結(jié)構(gòu)材料，它一誕生就得到國際物理學(xué)、化學(xué)與材料學(xué)界的高度重視，并迅速發(fā)展成為跨學(xué)科的研究熱點(diǎn)之一。有序介孔材料雖然目前尚未獲得大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用，但它所具有的孔道大小均勻、排列有序、孔徑可在2～50nm范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)等特性，使其在分離提純、生物材料、催化、新型組裝材料等方面有著巨大的應(yīng)用潛力。
化工領(lǐng)域有序介孔材料具有較大的比表面積，相對大的孔徑以及規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)，可以處理較大的分子或基團(tuán)，是很好的擇形催化劑。特別是在催化有大體積分子參加的反應(yīng)中，有序介孔材料顯示出優(yōu)于沸石分子篩的催化活性。因此，有序介孔材料的使用為重油、渣油等催化裂化開辟了新天地。有序介孔材料直接作為酸堿催化劑使用時(shí)，能夠改善固體酸催化劑上的結(jié)炭，提高產(chǎn)物的擴(kuò)散速度，轉(zhuǎn)化率可達(dá)90％，產(chǎn)物的選擇性達(dá)100％。除了直接酸催化作用外，還可在有序介孔材料骨架中摻雜具有氧化還原能力的過渡元素、稀土元素或者負(fù)載氧化還原催化劑制造接枝材料。這種接枝材料具有更高的催化活性和擇形性，這也是目前開發(fā)介孔分子篩催化劑最活躍的領(lǐng)域。
有序介孔材料由于孔徑尺寸大，還可應(yīng)用于高分子合成領(lǐng)域，特別是聚合反應(yīng)的納米反應(yīng)器。由于孔內(nèi)聚合在一定程度上減少了雙基終止的機(jī)會(huì)，延長了自由基的壽命，而且有序介孔材料孔道內(nèi)聚合得到的聚合物的分子量分布也比相應(yīng)條件下一般的自由基聚合窄，通過改變單體和引發(fā)劑的量可以控制聚合物的分子量。并且可以在聚合反應(yīng)器的骨架中鍵入或者引入活性中心，加快反應(yīng)進(jìn)程，提高產(chǎn)率。
生物醫(yī)藥領(lǐng)域一般生物大分子如蛋白質(zhì)、酶、核酸等，當(dāng)它們的分子質(zhì)量大約在1～100萬之間時(shí)尺寸小于10nm，相對分子質(zhì)量在1000萬左右的病毒其尺寸在30nm左右。有序介孔材料的孔徑可在2～50nm范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)和無生理毒性的特點(diǎn)使其非常適用于酶、蛋白質(zhì)等的固定和分離。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，葡萄糖、麥芽糖等合成的有序介孔材料既可成功的將酶固化，又可抑制酶的泄漏，并且這種酶固定化的方法可以很好地保留酶的活性。
生物芯片的出現(xiàn)是近年來高新技術(shù)領(lǐng)域中極具時(shí)代特征的重大進(jìn)展，是物理學(xué)、微電子學(xué)與分子生物學(xué)綜合交叉形成的高新技術(shù)。有序介孔材料的出現(xiàn)使這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破性進(jìn)展，在不同的有序介孔材料基片上能形成連續(xù)的結(jié)合牢固的膜材料，這些膜可直接進(jìn)行細(xì)胞／DNA的分離，以用于構(gòu)建微芯片實(shí)驗(yàn)室。
藥物的直接包埋和控釋也是有序介孔材料很好的應(yīng)用領(lǐng)域。有序介孔材料具有很大的比表面積和比孔容，可以在材料的孔道里載上卟啉、吡啶，或者固定包埋蛋白等生物藥物，通過對官能團(tuán)修飾控釋藥物，提高藥效的持久性。利用生物導(dǎo)向作用，可以有效、準(zhǔn)確地?fù)糁邪凶尤绨┘?xì)胞和病變部位，充分發(fā)揮藥物的療效。
環(huán)境和能源領(lǐng)域有序介孔材料作為光催化劑用于環(huán)境污染物的處理是近年研究的熱點(diǎn)之一。例如介孔TiO2比納米TiO2（P25）具有更高的光催化活性，因?yàn)榻榭捉Y(jié)構(gòu)的高比表面積提高了與有機(jī)分子接觸，增加了表面吸附的水和羥基，水和羥基可與催化劑表面光激發(fā)的空穴反應(yīng)產(chǎn)生羥基自由基，而羥基自由基是降解有機(jī)物的強(qiáng)氧化劑，可以把許多難降解的有機(jī)物氧化為CO2和水等無機(jī)物。此外，在有序介孔材料中進(jìn)行選擇性的摻雜可改善其光活性，增加可見光催化降解有機(jī)廢棄物的效率。
目前生活用水廣泛應(yīng)用的氯消毒工藝雖然殺死了各種病菌，但又產(chǎn)生了三氯甲烷、四氯化碳、氯乙酸等一系列有毒有機(jī)物，其嚴(yán)重的“三致”效應(yīng)（致癌、致畸形、致突變）已引起了國際科學(xué)界和醫(yī)學(xué)界的普遍關(guān)注。通過在有序介孔材料的孔道內(nèi)壁上接枝γ－氯丙基三乙氧基硅烷，得到功能化的介孔分子篩CPS－HMS，該功能性介孔分子篩去除水中微量的三氯甲烷等效果顯著，去除率高達(dá)97％。經(jīng)其處理過的水體中三氯甲烷等濃度低于國標(biāo)，甚至低于飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
有序介孔材料在分離和吸附領(lǐng)域也有獨(dú)特應(yīng)用。在濕度為20％～80％范圍內(nèi)，有序介孔材料具有可迅速脫附的特性，而且吸附作用控制濕度的范圍可由孔徑的大小調(diào)控。同傳統(tǒng)的微孔吸附劑相比，有序介孔材料對氬氣、氮?dú)狻]發(fā)性烴和低濃度重金屬離子等有較高的吸附能力。采用有序介孔材料不需要特殊的吸附劑活化裝置，就可回收各種揮發(fā)性有機(jī)污染物和廢液中的鉛、汞等重金屬離子。而且有序介孔材料可迅速脫附、重復(fù)利用的特性使其具有很好的環(huán)保經(jīng)濟(jì)效益。
有序介孔材料具有寬敞的孔道，可以在其孔道中原位制造出含碳或Pd等儲(chǔ)能材料，增加這些儲(chǔ)能材料的易處理性和表面積，使能量緩慢地釋放出來，達(dá)到傳遞儲(chǔ)能的效果。
目前在國內(nèi)已有北京化工大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、吉林大學(xué)、中國科學(xué)院等多家科研機(jī)構(gòu)和單位從事有序介孔材料的研究開發(fā)工作。可以相信，隨著研究工作的進(jìn)一步深入，有序介孔材料像沸石分子篩那樣作為普通多孔性材料應(yīng)用于工業(yè)已不遙遠(yuǎn)。
化工領(lǐng)域有序介孔材料具有較大的比表面積，相對大的孔徑以及規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)，可以處理較大的分子或基團(tuán)，是很好的擇形催化劑。特別是在催化有大體積分子參加的反應(yīng)中，有序介孔材料顯示出優(yōu)于沸石分子篩的催化活性。因此，有序介孔材料的使用為重油、渣油等催化裂化開辟了新天地。有序介孔材料直接作為酸堿催化劑使用時(shí)，能夠改善固體酸催化劑上的結(jié)炭，提高產(chǎn)物的擴(kuò)散速度，轉(zhuǎn)化率可達(dá)90％，產(chǎn)物的選擇性達(dá)100％。除了直接酸催化作用外，還可在有序介孔材料骨架中摻雜具有氧化還原能力的過渡元素、稀土元素或者負(fù)載氧化還原催化劑制造接枝材料。這種接枝材料具有更高的催化活性和擇形性，這也是目前開發(fā)介孔分子篩催化劑最活躍的領(lǐng)域。
有序介孔材料由于孔徑尺寸大，還可應(yīng)用于高分子合成領(lǐng)域，特別是聚合反應(yīng)的納米反應(yīng)器。由于孔內(nèi)聚合在一定程度上減少了雙基終止的機(jī)會(huì)，延長了自由基的壽命，而且有序介孔材料孔道內(nèi)聚合得到的聚合物的分子量分布也比相應(yīng)條件下一般的自由基聚合窄，通過改變單體和引發(fā)劑的量可以控制聚合物的分子量。并且可以在聚合反應(yīng)器的骨架中鍵入或者引入活性中心，加快反應(yīng)進(jìn)程，提高產(chǎn)率。
生物醫(yī)藥領(lǐng)域一般生物大分子如蛋白質(zhì)、酶、核酸等，當(dāng)它們的分子質(zhì)量大約在1～100萬之間時(shí)尺寸小于10nm，相對分子質(zhì)量在1000萬左右的病毒其尺寸在30nm左右。有序介孔材料的孔徑可在2～50nm范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)和無生理毒性的特點(diǎn)使其非常適用于酶、蛋白質(zhì)等的固定和分離。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，葡萄糖、麥芽糖等合成的有序介孔材料既可成功的將酶固化，又可抑制酶的泄漏，并且這種酶固定化的方法可以很好地保留酶的活性。
生物芯片的出現(xiàn)是近年來高新技術(shù)領(lǐng)域中極具時(shí)代特征的重大進(jìn)展，是物理學(xué)、微電子學(xué)與分子生物學(xué)綜合交叉形成的高新技術(shù)。有序介孔材料的出現(xiàn)使這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破性進(jìn)展，在不同的有序介孔材料基片上能形成連續(xù)的結(jié)合牢固的膜材料，這些膜可直接進(jìn)行細(xì)胞／DNA的分離，以用于構(gòu)建微芯片實(shí)驗(yàn)室。
藥物的直接包埋和控釋也是有序介孔材料很好的應(yīng)用領(lǐng)域。有序介孔材料具有很大的比表面積和比孔容，可以在材料的孔道里載上卟啉、吡啶，或者固定包埋蛋白等生物藥物，通過對官能團(tuán)修飾控釋藥物，提高藥效的持久性。利用生物導(dǎo)向作用，可以有效、準(zhǔn)確地?fù)糁邪凶尤绨┘?xì)胞和病變部位，充分發(fā)揮藥物的療效。
環(huán)境和能源領(lǐng)域有序介孔材料作為光催化劑用于環(huán)境污染物的處理是近年研究的熱點(diǎn)之一。例如介孔TiO2比納米TiO2（P25）具有更高的光催化活性，因?yàn)榻榭捉Y(jié)構(gòu)的高比表面積提高了與有機(jī)分子接觸，增加了表面吸附的水和羥基，水和羥基可與催化劑表面光激發(fā)的空穴反應(yīng)產(chǎn)生羥基自由基，而羥基自由基是降解有機(jī)物的強(qiáng)氧化劑，可以把許多難降解的有機(jī)物氧化為CO2和水等無機(jī)物。此外，在有序介孔材料中進(jìn)行選擇性的摻雜可改善其光活性，增加可見光催化降解有機(jī)廢棄物的效率。
目前生活用水廣泛應(yīng)用的氯消毒工藝雖然殺死了各種病菌，但又產(chǎn)生了三氯甲烷、四氯化碳、氯乙酸等一系列有毒有機(jī)物，其嚴(yán)重的“三致”效應(yīng)（致癌、致畸形、致突變）已引起了國際科學(xué)界和醫(yī)學(xué)界的普遍關(guān)注。通過在有序介孔材料的孔道內(nèi)壁上接枝γ－氯丙基三乙氧基硅烷，得到功能化的介孔分子篩CPS－HMS，該功能性介孔分子篩去除水中微量的三氯甲烷等效果顯著，去除率高達(dá)97％。經(jīng)其處理過的水體中三氯甲烷等濃度低于國標(biāo)，甚至低于飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
有序介孔材料在分離和吸附領(lǐng)域也有獨(dú)特應(yīng)用。在濕度為20％～80％范圍內(nèi)，有序介孔材料具有可迅速脫附的特性，而且吸附作用控制濕度的范圍可由孔徑的大小調(diào)控。同傳統(tǒng)的微孔吸附劑相比，有序介孔材料對氬氣、氮?dú)狻]發(fā)性烴和低濃度重金屬離子等有較高的吸附能力。采用有序介孔材料不需要特殊的吸附劑活化裝置，就可回收各種揮發(fā)性有機(jī)污染物和廢液中的鉛、汞等重金屬離子。而且有序介孔材料可迅速脫附、重復(fù)利用的特性使其具有很好的環(huán)保經(jīng)濟(jì)效益。
有序介孔材料具有寬敞的孔道，可以在其孔道中原位制造出含碳或Pd等儲(chǔ)能材料，增加這些儲(chǔ)能材料的易處理性和表面積，使能量緩慢地釋放出來，達(dá)到傳遞儲(chǔ)能的效果。
目前在國內(nèi)已有北京化工大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、吉林大學(xué)、中國科學(xué)院等多家科研機(jī)構(gòu)和單位從事有序介孔材料的研究開發(fā)工作。可以相信，隨著研究工作的進(jìn)一步深入，有序介孔材料像沸石分子篩那樣作為普通多孔性材料應(yīng)用于工業(yè)已不遙遠(yuǎn)。
