多孔材料在分离提纯、吸附和气体存储等领域有着重要的应用价值,但多孔材料通常是固体的专利,在有些场合应用起来并不方便。而液体由于其流动性,除了分子间的微小空隙,内部任何稍大的孔洞都会被迅速填充,无法永久性保留,例如一杯啤酒或者汽水中的气泡很快就会从液体中逃逸。
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来自英国的研究人员提出了一个新奇的设想:将液体与多孔固体材料混合,或许可以将孔洞永久性保留在液体中。但要想将这一想法变成现实,需要克服一个难题,那就是如何阻止溶剂分子进入固体材料的孔洞。研究人员为此选取了一种分子中心有直径约0.5纳米孔洞的有机分子,将其与另一种名为15-冠-5的有机物混合。15-冠-5在室温下是液体,能够溶解这种多孔材料,但是其分子尺寸太大,无法进入孔洞,这样一来孔洞就得以永久性保留在液体中。实验表明,与纯的冠醚相比,溶解多孔材料后液体中孔洞的含量确实明显增加,对甲烷的溶解能力也有显著提高。由于15-冠-5粘度大且不易合成,研究人员随后又改进了制备方法,用更为常见的溶剂得到了粘度更低的多孔液体。
一种多孔液体的合成
a)合成固态多孔材料;b)固态多孔材料与15-冠-5按照分子数1:12的比例混合,得到多孔液体
女王大学化学化工学院的Stuart James教授说:“含有永久性孔隙或微孔的材料在技术上很重要,它们用于制造从塑料瓶到汽油的各种各样产品。然而,直到最近,这些多孔材料都是固体的,而我们所做的,就是‘从底层开始’设计一种特殊液体,我们设计了组成这种液体的分子形状,使得这种液体不能填满所有空间。因为我们让这种液体充满空洞,我们发现它能溶解异常大量的气体。最初的这些实验是为了理解这种新材料类型,而其成果则指明了依赖于气体溶解的远期应用。
“还需要再有几年的研究,但如果我们能为这些多孔液体找到应用,它们就能导致新的或是改进的化学工艺。最起码,我们已经成功示范了一项崭新的原理——通过在液体里创造孔隙,我们能显著增加它们对气体的溶解度。这些优异的特性显示出令人感兴趣的远期应用。”
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