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|何鸣元院士详解：等级孔材料与绿色碳科学( 三 )


因此 ， 设计等级孔催化材料来减少工业条件下焦炭和二氧化碳的生成非常关键 。
另外 ， 等级孔材料在很多生物质转化过程中也发挥着重要的作用 。 生物质能够提供大量可再生的碳 。 将生物质高效转化为高质量的燃料和化学品是一项长期的任务 。
通常 ， 生物质转化过程涉及到将庞大的生物大分子分解成小的基础分子 ， 再对这些小分子进行进一步加工 ， 最终生成高附加值的产物 。
利用等级孔材料能够加速物质的扩散 ， 并使它们更容易接近反应活性位点 ， 从而帮助促进生物质的转化 。 通过在不同尺度上对材料的孔隙率和结构进行等级构建 ， 就可能制备出绿色碳科学所需的各种功能的材料 。
NSR：虽然等级孔材料的制备取得了很大的进展 ， 但可以说 ， 设计和合成用于特定应用的等级孔结构并非易事 。 您对等级孔材料的设计理念有什么建议或展望吗？
何鸣元：
目前 ， 我们仍在遵循试验-测试-优化-再测试的过程 ， 来获得优化的但并非最好的目标材料 。 这是由于我们对先进材料设计的原理、规则和理论缺乏理解造成的 。
“定向设计材料性能”的概念对该领域今后的发展很有吸引力 。 我们能不能建立一套材料设计的理论来实现可预测的和优化的功能？
我认为 ， 我们也许可以从大自然提供的具体例子中获取很多重要的启示 。 这些启示能帮助我们确定材料设计所要遵循和模仿的规则 。
许多种类的生物都具有效率极高、能耗最低的等级孔网络 ， 例如植物的茎和叶脉、动物的血管和呼吸系统等 。
这些有生命的等级孔网络在有限的体积内连通 ， 可以最大限度地降低物质到达所有孔的传输阻力 ， 并确保整个等级网络内的畅通传输 ， 这也是生物体得以生存的前提 。
近期 ， 利用广义默里定律 ， 苏宝连教授团队首次制备出了模仿天然血管结构的系列仿生材料 。 这类材料的孔径在多个尺度上逐渐减小 ， 最终终止于一个尺寸不变的单元 ， 类似于植物茎、叶脉、血管和呼吸系统的等级结构 。
这些仿生材料具有等级化的分支 ， 在液-固、气-固和电化学反应中大大促进了物质的交换和传递 。 这是首个定量材料设计的例子 ， 通过精确控制直径比来连接从大孔到微孔等不同尺度上的孔道结构 。
这项工作开创性地展示了同时对不同尺度进行优化的材料制备过程 。 这个过程所遵循的设计原理借鉴了天然的等级系统 ， 使得可预测地控制材料的性能成为可能 。 采用这种方法来构建其他具有相互贯通孔道结构的等级网络也是非常可取的 。
我很高兴地看到 ， 工业界也在这一领域投入了大量努力 。 例如 ， 由谢在库教授和杨为民教授领衔的中国石化上海石油化工研究院（Sinopec）从工业应用的角度对这一领域作出了相当大的贡献 。
等级材料的概念也已经应用到金属有机框架和纤维领域 。 我希望National Science Review即将出版的《等级孔材料》专题能够吸引更多对这一研究领域的关注 ， 从而推动这一领域从实验室到工业化的发展 。
【给年轻研究者的建议】
NSR：您对刚刚进入等级孔材料研究领域的年轻研究者有什么建议吗？
何鸣元：
多年来 ， 人们对等级孔材料进行了广泛的研究 ， 并取得了很多成果 。 年轻的研究者在进入这个领域之前 ， 应该仔细考虑自己能做些什么 。
我建议他们可以根据自己的背景和兴趣 ， 选择正在出现或尚未解决的挑战作为研究的重点 。 他们可能需要将等级孔材料和其他一些概念如空间限域、择形效应和分子识别等结合起来 。
新的想法往往来自于已知的科学知识和未知的科学问题之间的接合处 。 新的发现和概念往往存在于与预期不符的实验结果中 。 年轻的研究者应该永远保持好奇心 ， 研究他们真正感兴趣的东西 。
相关论文信息：
【|何鸣元院士详解：等级孔材料与绿色碳科学】


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