近日，我校能源材料化學研究院趙東元院士、馬玉柱研究員聯合澳门京葡娱乐网劉健教授在Nature Reviews Chemistry（化學領域頂級綜述期刊，影響因子42.1）上發表了題為“Understanding the chemistry of mesostructured porous nanoreactors”的研究論文。該論文系統介紹了介觀結構的多孔納米反應器的設計與合成，納米反應器效應的影響，并深入探讨了其在儲能、催化和生物醫學領域的應用潛力。

介觀結構的多孔納米反應器

       該論文基于自組裝和界面化學的模闆策略，将多孔納米反應器的合成分為液-固硬模闆、液-液軟模闆和界面化學裁剪三種方法，這些已經發展成為構建先進納米反應器的通用途徑。在催化應用中，多孔納米反應器提供了高效的傳質通道與多功能組分，确保了多步反應的時空耦合；而在儲能應用中，具有中空多殼結構的納米反應器能夠減緩離子穿梭效應，并有效緩解充放電循環過程中的體積膨脹。此外，研究還展示了多孔納米反應器在蛋白質、酶和藥物裝載中的靈活應用，為未來的生物醫學研究提供了新思路。 

背景介紹

       在自然界中，化學反應往往發生在細胞、細胞器、病毒等密閉空間内。得益于細胞多層次的中空結構和特定的生化功能，化學轉化可以在納米級甚至分子和原子水平上進行調控。受大自然的啟發，目前已經采用多種合成策略設計了多種具有明确中空結構和可調節分層空間的納米結構材料：多孔納米反應器。納米反應器通常被認為是一個納米範圍内的小隔間(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，通過将多個催化官能團放置在順序定位的隔間中來實現級聯反應，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化對于混合儲能技術也很有價值，它具有緩沖空間、傳質通道和孔隙體積，可以減輕體積膨脹并産生更高的能量密度。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台。

 

文章亮點

1、多孔納米反應器的可控合成

       本文基于自組裝和界面化學的模闆策略，将多孔納米反應器的合成分為液-固硬模闆、液-液軟模闆和界面化學裁剪三種方法，這些已經發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，調整化學鍵和分子相互作用，将最小的單元縫合成理想的結構，同時結合“化學裁剪”策略，通過配體競争和溶劑溶解有序地分解形成材料，是精确調控納米反應器結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内部的多室結構（如腔室數量、分布和孔隙率）方面仍面臨挑戰。相比之下，液-液界面組裝策略可以更好地解決這些問題，有助于調節腔室數量、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。

圖1 多孔納米反應器的界面合成策略。

 2. 多孔納米反應器的微觀效應

      多孔納米反應器型材料可以引發特殊的結構-活性相互作用，包括空腔限域效應、傳質擴散和活性位點協同效應。納米反應器中明确的空腔結構可以形成局部高度富集的反應物微環境，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。中間體及目标産物的擴散主要與孔隙結構、腔室結構有關。同時，納米反應器還可以提供多層次、多維度（如殼内外或不同腔室之間）的空間來錨定位點。這使其成為研究活性位點之間協同效應及其獨特催化反應機理的理想平台。

圖2 多孔納米反應器效應。

3、多孔納米反應器的新興應用

       化學成分可調的納米反應器在空間劃分、功能和微觀結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确的孔結構和空間分離的活性位點，能夠促進分子的傳質、富集和大小篩選，在催化、儲能和生物醫學等領域具有重要意義。在催化過程中，多孔矽碳納米反應器提供了高效的傳質通道和多功能組分，确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）的中空多殼結構有望減緩離子穿梭效應，并緩解充放電循環過程中的體積膨脹問題。在生物醫學應用中，這類反應器通過可調節的孔隙大小為蛋白質、酶或藥物的裝載提供了靈活的空腔結構。

圖3 多孔納米反應器的應用構效關系。

3、小結

       本文從合成化學的角度出發，重點介紹了基于界面模闆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構特征，并讨論了其結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。最後，我們展望了未來納米反應器發展的方向與設計挑戰，并提出了可能的多孔納米反應器優化策略，以促進未來應用。

緻謝：該論文獲得了國家自然科學基金和内蒙古自然科學基金的支持。

作者介紹

 

馬玉柱，澳门京葡娱乐网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複合材料的可控制備及其在串聯催化、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.等期刊上發表論文 20 餘篇。現任 eScience、Polyoxometalates、Microstructure等期刊青年編委。曾獲上海市優秀畢業生獎、NRE Young Star Researcher Award以及新材料創新創業型青年人才等。主持國家自然科學基金面上項目，内蒙古自治區科技突圍項目課題、内蒙古自治區青年科技人才項目，内蒙古自治區青年科學基金，企業橫向課題等。郵箱：yzma@imu.edu.cn.

  

 

劉健，現任澳门京葡娱乐网教授、博士生導師，院長；入選教育部重大人才計劃特聘教授 (2022年)、國家海外高層次人才引進計劃(2017年)等。長期緻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。迄今以第一作者及（共同）通訊作者在包括 Nature Mater. (1篇), Nature Commun. (3篇), Angew. Chem. Int. Ed. (14篇), Adv. Mater. (4篇), Natl. Sci. Rev. (2篇) 等刊物發表正式論文190餘篇。主持或參與包括中組部、科技部重點研發項目、國家基金委重大儀器研制項目、國家基金委面上項目、中科院、遼甯省委組織部、内蒙古自治區組織部/人社廳/科技廳、澳大利亞基金會面上項目等多項科研項目。曾獲得第14屆國際催化大會青年科學家獎（2008），國際先進材料協會獎章（IAAM Medal, 2021），國際VEBLEO Fellow Award、中國化工學會基礎研究獎二等獎（2021，排名第一）、遼甯省自然科學學術成果獎一等獎（2022）等獎項。現任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、環境、生物應用研究，發展合成了19種複旦大學命名的介孔材料及系列新組分、結構的有序介孔材料，提出了一系列合成新方法體系，取得了國際公認的開創性成果，發表SCI論文800餘篇，包括Science, Nature, Nat. Mater., Nat. Chem., JACS, Angew, Adv. Mater等頂級期刊，被引12萬餘次。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内外重要獎項，任國際介觀材料協會主席、ACS Central Science執行編輯、National Science Review副主編等。現任複旦大學化學與材料學院院長，複旦大學黨委常委、統戰部部長，澳门京葡娱乐网能源材料化學研究院院長。郵箱：dyzhao@fudan.edu.cn。