西北工业大学郑亚萍教授与西安科技大学王德超博士：多孔液体：合成、应用与展望

近日，西北工业大学郑亚萍教授和西安科技大学青年教师王德超、杨志远教授等的AMR述评文章“Porous Liquids Open New Horizons: Synthesis, Applications, and Prospects”在线发表。文章主要展示了该团队在多孔液体（Porous Liquids，PLs）的创新设计与精准合成方面的最新进展，重点阐述了团队如何将长达20余年研究的另一种类液体材料（无溶剂纳米流体，Solvent-free Nanofluids, SFNs）合成思想成功应用于多孔液体的制备，具体从界面相互作用（如静电作用、酸-碱作用、偶极-偶极/四极作用等）的角度系统阐述了如何定向、可控合成多孔液体。其次，总结多孔液体在气体吸附与分离、膜分离、重金属离子选择性吸附和萃取脱硫等相关领域的应用潜力。最后，全面概述了多孔液体领域目前面临的挑战、机遇和未来发展方向。

关键词：多孔液体，无溶剂纳米流体，先进多孔材料，离子液体，界面作用

1 文章内容概述

尽管多孔液体（Porous Liquids，PLs）的概念似乎与我们的直觉相悖，但自2007年多孔液体概念首次提出以来，多孔液体的确在众多领域展示出了巨大应用前景，从而引起了学术界和工业界的极大关注。多孔液体是一种具有永久孔隙的新型流动体系，其兼具多孔固体材料有序孔道结构以及液体材料良好的流动性等特征。总体而言，多孔液体的发展经历了概念提出的起始阶段、各种实例陆续开展的研究阶段、特定应用的扩展阶段。从功能上，多孔液体由两部分组成：位阻溶剂和多孔客体。相应地，多孔客体为多孔液体提供了永久性孔隙，位阻溶剂则赋予多孔客体室温流动性。因此，自2007年概念提出以及2015年实现第一个多孔液体实例以来，特别是在过去的四年中，多孔液体在设计、合成和应用方面取得了一系列进展，如在气体捕获、膜分离、萃取脱硫、催化转化、生物医学等领域均表现出巨大发展前景。然而，要将多孔液体从基础研究进一步推向实际应用，需要解决普适性合成方法和工艺优化这两个方面的挑战，其中前者是核心关键所在。

本述评主要展示了作者团队在多孔液体创新设计和精准合成方面的最新进展。重要的是，基于团队对另一种类似液体材料——无溶剂纳米流体——20多年的研究基础，系统讲述了如何将无溶剂纳米流体的合成思想应用于多孔液体的制备，重点是从位阻溶剂与多孔客体之间的界面相互作用（静电相互作用、酸碱相互作用、偶极-偶极/四极相互作用等）角度出发合成多孔液体。然后，介绍并总结了其在气体吸附、膜分离、金属离子选择性吸附和萃取脱硫等领域的应用。此外，通过构-效关系深入分析，凝练了限制多孔液体性能提升背后的关键科学问题。最后，总结了多孔液体目前面临的挑战和未来发展方向。

2 AMR：请问您选择该领域的初心是什么？

郑亚萍教授：

本团队是国际上较早开展多孔液体研究的课题组之一，致力于多孔液体的创新设计与精准合成及其能源、环境领域的应用探索。基于我们团队对无溶剂纳米流体的20多年研究基础，自James等于2007年正式提出多孔液体概念之时，我们逐渐发现多孔液体与无溶剂纳米流体具有很多共性之处。尽管液体具有可调节孔隙的想法似乎有悖于直觉，但永久孔隙已不仅仅是固态材料的独有特征了。多孔液体有望解决多孔固体材料在使用过程中的机械疲劳和物理老化等问题。此外，多孔液体的流动能力为工业泵送过程提供了巨大便利。尤其是多孔液体在气体吸附、膜分离、均相催化及萃取脱硫等领域显示出巨大应用潜力。

3 AMR：您认为该领域当前最值得关注的研究热点是什么？

杨志远教授：

在表征方面：如何对多孔液体孔隙有效且标准化地表征值得深入研究。目前最常用的定性评价多孔液体中孔隙的实验方法是将位阻溶剂与对应的多孔液体进行气体吸附量的对比。另外，正电子湮灭寿命谱（PALS）也是另一种常用的方法，高通量的实验和计算使多孔液体的设计和优化成为现实，计算机模拟分析能否单独提供足够的证据验证多孔液体中永久孔隙值得进一步研究。

在应用方面：开发新型多孔液体的最终目标是实际应用，因此，多孔液体与现有工业中成熟工艺的集成至关重要。这就要求对多孔液体的物化性质和结构进行优化设计，以及对其热力学、动力学和机械特性的研究，这对于多孔液体的商业化应用至关重要；还应考虑基于多孔液体的反应器，包括但不限于传质、传热、反应器设计、工艺建模、热力学参数预测和生命周期评估等。

4 AMR：您对该领域发展有何展望？

王德超博士：

虽然各领域研究学者对多孔液体的研究兴趣越来越高，但是，未来多孔液体仍然存在许多挑战，我们提出了一些建议与展望：（1）具有优异物理化学性质的多孔液体。具有更多孔隙、更低黏度、更低挥发性的多孔液体将是未来研究的重点。（2）智能多孔液体（Smart Porous Liquids）的开发。智能多孔液体也可视为刺激响应性多孔液体。具有刺激响应特性的多孔客体或位阻溶剂理论上都可以被集成到多孔液体体系中，应进一步提高多孔液体的智能化水平，包括结构-性能关系、能量转换效率和响应灵敏度等。（3）特定应用的有效扩展。多孔液体的室温流动性为混合基质膜（MMMs）难以解决的界面相容性问题提供了一种解决方案。其次，IV型PL的Glass-Liquid相转变行为为制备气体分离的高性能Glass膜提供了新颖思路。此外，多孔客体的永久孔隙可用作在室温下不稳定化学物质的载体，如量子点和钙钛矿等，这值得进一步研究。（4）深入理解构-效关系，实现特定应用的需要。在宏观尺度上，多孔液体可被视为均相体系，而在微观尺度上，多孔液体是纳/纳-微跨尺度的多相体系，因此，研究小分子在多孔液体中的跨界面传输行为具有重要意义，要深入理解这一行为，这就要求根据其微观结构来描述宏观尺度上的特征和行为。例如，在I型或III型多孔液体的气体捕集与分离应用中，位阻溶剂在多孔客体表面形成的“溶剂膜”是否存在“界面限域效应”以及它如何影响气体跨界面的传输行为？位阻溶剂部分渗进多孔客体孔隙的行为是否会像“纳米限域离子液体”一样具有“纳米限域效应” 以及它如何影响气体跨界面的传输行为？

目前多孔液体仅仅表现出众多潜在应用中的一部分，如果其潜力得到有效发挥，将带来更多的发展机遇。展望未来，随着越来越多的研究者投入工作，多孔液体在新领域的前景将不可限量，最终有望实现商业化应用。

通讯作者简介

郑亚萍，西北工业大学化学与化工学院教授，博士生导师，美国康奈尔大学访问学者。长期从事多孔液体、无溶剂纳米流体的设计与开发及其在气体捕集分离与转化、膜分离、聚合物基复合材料、光热转换、生物医学等领域的研究，h因子34。截止目前，在Angew. Chem.、AFM、ACS Nano等国内外权威期刊发表论文190余篇，已主持完成国家自然科学基金、陕西省自然科学基金等国家级/省部级课题70余项；授权和受理国家发明专利10余项；参编高等学校教材4部。

依托西北工业大学三航、材料、兵器等优势学科，积极与国内外多个科研院所开展广泛合作，担任Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Angewandte Chemie等国内外权威期刊的审稿人。

王德超，博士，西安科技大学化工学院青年教师。2022年博士毕业于西北工业大学，期间受CSC资助在新加坡国立大学（NUS）化工系公派学习（导师：ZHAO Dan教授），2022年4月入职西安科技大学。研究方向为多孔液体与无溶剂纳米流体的创新设计制备及其气体捕集与转化、膜分离应用。近年来，共发表SCI论文40余篇，h因子14，其中以第一/通讯作者（含共同通讯）在AFM、AMR、Nano Research、JMCA等期刊发表论文近20篇，包括TOP论文10篇，ESI高被引2篇，期刊封面论文1篇等；授权国家发明专利1件，参编Wiley出版社专著1部。担任Molecules等期刊客座编辑和Small、CEJ等期刊审稿人，受邀在全国多个化工/化学学术会议上做多孔液体研究的大会邀请/口头报告，并获得优秀墙报奖。

杨志远，博士（后），博士生导师，西安科技大学三级教授，化学工程学科带头人。长期从事气体分离与富集、计算机过程模拟、煤炭精细加工、矿物功能材料等方面的教学和科研工作。公开发表学术论文90余篇，其中SCI收录70余篇；独立出版学术专著1部，授权发明专利5项，实用新型专利20余项和软件著作权3项等。主持完成国家自然科学基金面上项目、国家科技重大专项课题、“973”项目子课题等多项国家级/省部级项目。与中石油、陕煤集团等有20余项校企合作项目，与中国矿业大学、西工大、新加坡国立大学等国内外科研院所开展长期合作与交流，研究成果获省部级科技进步一等奖1项、二等奖/三等奖等多项。

通讯作者团队：西北工业大学郑亚萍教授团队合影

通讯作者团队：西安科技大学杨志远教授团队合影

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Porous Liquids Open New Horizons: Synthesis, Applications, and Prospects

Dechao Wang*, Yunpan Ying, Yangyang Xin, Peipei Li, Zhiyuan Yang*, and Yaping Zheng*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00106

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