掀起介孔材料领域革命——记2020国家自然科学一等奖项目有序介孔高分子和碳材料的创新和应用

　　有这样一种材料，作为催化剂可以提高重油转化效率，有望每年为中石化增产150万吨左右的高质量成品油；用于超级电容器中能够点亮北京奥运会；用在电路板中可实现5G手机的工业化生产……这种神奇的材料叫做介孔材料，基于对该类材料的创新和应用，中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元领衔的科研团队日前获得2020年度国家自然科学一等奖。

　　打造全新有机介孔材料

　　介孔材料是20世纪发展起来的材料体系，具有规则排列、大小可调的孔道结构以及高的比表面积和大的吸附容量。2001年以前，国际化学界的相关研究都局限在容易合成的无机介孔材料上。这种介孔材料存在脆性大、密度高、不易加工、不可降解等缺点。而作为材料另一重要组成的高分子和碳能否实现“造孔”，一直是鲜有人问津的“无人区”。

　　这是因为高分子和碳的形成是一个聚合的过程，在这样的材料中造孔，很难控制。具体来说，高分子前驱体与模板相互作用弱，难以组装形成有序介孔结构。同时，高分子前驱体和模板组成相似，难以去除模板形成介孔结构。此外，高分子前驱体热稳定性差，存在难以转化成有序介孔碳材料等难题。

　　赵东元团队决心在该领域开展研究。但在实验初期，科研团队屡战屡败，研究开始后的3年内进展都很缓慢。2003年10月，终于迎来转机。团队成员提出，在制作介孔高分子的过程中，把高分子先聚再合成，这一反常规的操作简化了实验步骤，成功获得了一组非常漂亮的数据。

　　2005年，赵东元团队在《德国应用化学》发表文章，在有机—无机自组装的基础上首次提出了有机—有机自组装的新方法。一种全新的介孔材料——有序介孔高分子和碳材料，也由此诞生。

　　引领介孔材料领域发展

　　这项研究在高分子和碳材料领域掀起了一场革命。赵东元团队提出的有机—有机自组装新思想及由此产生的介孔高分子和碳材料被60多个国家和地区的1500余家科研机构采用和研究，引领了国际介孔材料领域的发展。

　　此后，赵东元带领团队建立了体系化的合成方法学，创制了一系列不同孔径、形貌、组成、孔道结构的有序介孔高分子和碳材料;提出了多元协同共组装新策略，实现了介孔高分子和碳材料功能的精确调控，将多种功能普适性地引入高分子和碳材料中，创制了全新功能介孔复合材料。

　　在此基础上，他们揭示了介孔独特的物质输运和界面反应规律，解决了微孔传质限制和大孔活性位点少的难题，完成了高比容量、高功率和长循环稳定性电化学储能器件，为独特的新一代药物合成催化剂、仿生离子通道、柔性微流控器件等的构筑奠定了基础，创造了巨大的经济效益。

　　据统计，赵东元团队一共创造了19种新型介孔材料。这些新型介孔材料已经进行了千吨级生产，为国内外研究单位提供实验试剂，在加氢裂化、蛋白质分离、固定化酶和生物玻璃补骨材料等应用方面，取得了较好效果。此外，他们围绕有序介孔高分子和碳材料的创制和应用研究发表的8篇代表性研究论文，共被他引3825次。

　　基础研究之花结出硕果

　　基础研究之花也在应用中结出硕果。由于有序介孔高分子和碳材料具有轻、柔、易加工、可降解等优点，可应用于新能源、石油化工、环境治理、物质输运、电子器件、生物医学等领域。

　　以石油炼化为例，我国开采出来的原油通过蒸馏等方式只有约40%可用作柴汽油，剩下60%的渣油只能用作铺路的沥青等，转化率较低。把介孔材料作为催化剂可将渣油转化为汽油，提高重油转化效率。

　　他们还将介孔材料用于制作超级电容器，在北京奥运会的LED路灯和上海世博会的电动汽车上都得到了示范性应用。此外，介孔材料还在生物检测、环境处理、电子材料等方面得到广泛应用，如应用介孔材料的印刷电路板已投入生产，利用介孔材料超大表面积制作超级电容器的研究正逐步推进，介孔液体的创制也在紧锣密鼓进行中。他们还在继续研究精细化合成有序介孔高分子和碳材料。

　　此外，研究人员还进行了未来的设想，如将介孔材料用作绝缘和隔热材料应用到衣物上，既轻薄又保暖;用在医疗领域，或许能让韧带顺着它重新生长;在介孔材料上做出离子通道，就能实现海水发电……