注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

介孔金属氧化物凭借其超高的高的比表面积、非常大的孔容、均一可调的孔尺寸以及独特的孔道结构等本征属，在能源存储与转换、传感、催化等领域有着广泛的应用。目前合成介孔金属氧化物主要局限于溶剂诱导的无机-有机自组装过程，导致合成成本高昂并且产量较低，极大地限制了介孔金属氧化物的工业化应用。因此，开发一种大规模生产介孔金属氧化物的方法对相关的科学研究和工业应用有着至关重要的作用。近日，吉林大学的乔振安团队在此领域取得了新的突破。该课题组使用阳离子聚合物聚乙烯亚胺作为造孔剂和稳定剂，醋酸作为络合剂，金属醇盐作为金属氧化物前驱体，开发了一种大规模的无溶剂自组装策略成功的制备了一系列高度结晶的介孔金属氧化物，包括单组份介孔金属氧化物（例如，TiO₂、Nb₂O₅、Ta₂O₅、Al₂O₃、HfO₂、ZrO₂和SiO₂）和多组分的介孔金属氧化物，例如掺杂的介孔金属氧化物（yNb掺杂的TiO₂）、复合的介孔金属氧化物（Nb₂O₅-TiO₂复合物）和多元金属氧化物（TiNb₂O₇）。相比于传统的无机-有机自组装过程，该方法不需要任何溶剂，不仅极大地降低了环境污染而且节约了生产成本和能耗。凭借简单的合成过程和短的合成周期，该方法实现了规模化生产，为介孔金属氧化物的工业化应用奠定了基础。

图1. 无溶剂自组装法合成介孔金属氧化物的示意图。

这一成果近期发表在国际顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed. 上，文章的第一作者是吉林大学博士研究生熊海龙，通讯作者为吉林大学乔振安教授。

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Solvent-Free Self-Assembly for Scalable Preparation of Highly Crystalline Mesoporous Metal Oxides

Hailong Xiong, Hongru Zhou, Ge Sun, Zhilin Liu, Liangliang Zhang, Ling Zhang, Fei Du, Zhen-An Qiao, Sheng Dai

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202002051

乔振安教授课题组简介

2015年秋季，乔振安博士以全职教授回到母校吉林大学化学学院，在无机合成与制备化学国家重点实验室建立并领导独立课题组。乔振安博士长期从事新型功能介孔材料的设计合成及其性能研究。以功能为导向，围绕多孔材料合成方法学的关键科学问题，设计并精准合成新型多功能多孔材料，开发该系列材料在催化、吸附、能源存储与转化等领域的应用，取得了一系列开创性的科研成果。典型例子包括新型多孔催化剂（Adv. Mater., 2019, 31, 1806254; J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 11260; Chem. Mater., 2017, 29, 4044; Chem. Mater., 2018, 30, 8579，），多孔材料用于能源转化与存储（Adv. Mater., 2019, 31, 1807876；Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1901634; Adv. Sci., 2019, 6, 1801543; Nano-Micro Lett., 2020, 12, 14; ACS Appl. Nano Mater., 2019, 2, 6, 3889；NPG Asia Mater., 2018, 10, 800; Nano Lett. 2013, 13, 207），多孔材料用于吸附（Nat. Commun. 2014, 5, 3705；Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 2888；Adv. Mater. 2012, 24, 6017）。

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，介孔金属氧化物在众多领域有着广泛的应用前景。然而，由于金属氧化物前驱体的水解聚合速率较快，通常需要使用大量的有机溶剂和酸碱催化剂调控金属氧化物前驱体的水解聚合过程，导致介孔金属氧化物的合成成本高昂并且产量较低。该课题组为了实现介孔金属氧化物的批量化生产，选用价格低廉的聚乙烯亚胺作为造孔剂，聚乙烯亚胺由于拥有丰富的氨基官能团，可以很容易的与金属醇盐通过氢键相互作用，因此，通过简单的研磨工艺，即可完成金属醇盐和聚乙烯亚胺之间的自组装过程。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：该项研究中最大的挑战是如何在研磨过程中实现金属醇盐和聚乙烯亚胺之间的均匀组装，以获得孔结构完整、具有优异性能的介孔金属氧化物材料。在这个过程中，该课题组使用醋酸作为络合剂，提供一种流体的环境，使金属醇盐和聚乙烯亚胺之间可以均匀的混合。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：合成的介孔TiO₂由于具有大的比表面积和高度晶化的孔壁，在锂离子电池、光催化等领域中有着非常大的应用前景。该课题组也将会进一步的与企业合作，探索该类材料在室温去除甲醛中的应用。其它的介孔金属氧化物材料也有非常重要的应用，例如，介孔ZrO₂和SiO₂是性能优异的催化剂载体；介孔TiNb₂O₇是一种典型的锂离子电池负极材料。