Chemical synthesis, functional regulation and application of hollow materials

空腔材料包括中空、多孔、管状等材料. 由于具有空腔结构、高孔隙率、结构化表面等多尺度纳米结构和组成, 空腔材料可实现物质的高效负载和传递, 被广泛用于能量转换与存储、催化、吸附、分离、生物医药等领域. 随着合成方法的进步, 具有多壳层、多腔体等独特复杂结构的空腔材料展示出更为丰富的功能和更加广阔的应用前景. 实现功能导向空腔材料的设计、合成与过程的精准控制是突破现有材料的性能极限和功能制约的关键，是为能源、环境、医学、制造等科技领域提供满足应用需求的核心材料和关键技术的基石. 材料化学是功能导向材料体系的分子基础. 通过运用化学原理、方法和技术, 在分子及聚集态尺度上研究材料的设计、制备、组成、结构、表征、性能及应用, 精准创制多级结构可调的空腔材料, 精细调控空腔材料的结构和性能; 结合理论计算和原位动态等先进表征技术, 多尺度揭示原子、分子和化学键的结构与转化过程, 揭示表界面的传质、传荷和传能过程, 明晰材料功能与原子组成、电子结构、化学键的关联规律; 这是实现空腔材料制备与组装技术的突破, 探索空腔材料的功能应用, 催生相关战略性新兴产业不可或缺的利器. 近年来, 我国科技工作者在功能导向的空腔材料化学方面取得了一系列突破进展. 为了集中展示我国在这一领域的研究成果, 推动空腔材料的进一步发展, 促进同行之间学术思想的碰撞, 《科学通报》组织出版“功能导向的空腔材料化学”专辑. 此专辑特邀领域内多位学者撰文, 涉及空腔材料的化学创制新理念、功能导向的结构调控及其在能源、环境、催化、分离等领域应用的最新成果[1~15]. 在空腔材料的化学创制新理念方面，创新了多级中空结构、有机框架材料、碳纳米管、介孔材料等的可控制备新策略. 万颖课题组采用表面活性剂自组装技术合成了金@介孔碳核壳纳米球及蛋黄-蛋壳空腔纳米催化材料. 李立博课题组以多氮唑配体为金属有机框架的构建单元, 合成了一种新的具有特殊的方形孔腔结构和多氮吸附位点的金属有机框架材料. 何茂帅课题组设计开发了分别含有单金属钴和镍的层状双氢氧化物催化剂前驱体, 利用一氧化碳作为碳源, 实现了窄手性分布单壁碳纳米管在单金属层状双氢氧化物上的催化生长. 李伟课题组系统总结了单胶束定向组装合成一维介孔纳米线、二维介孔纳米片/膜、三维介孔纳米颗粒、核壳介孔纳米颗粒、非对称介孔纳米颗粒等有序介观结构的生长机制. 针对功能导向与化学调控的本质问题, 多尺度揭示了材料微结构的调控原理, 解析了材料微纳结构与材料功能的构效关系. 常泽课题组系统探讨了多孔配位聚合物体系微纳限域空间的构筑和调优原则, 并以光、电性质为例介绍了功能导向的主-客体多孔配位聚合物的最新进展. 周亮课题组将硅基空心结构分为空心球/笼、蛋黄-蛋壳结构、空心纳米管以及其他特殊空心结构四类, 并对其储锂性能进行了详细的比较. 赵勇课题组总结了不同结构、成分的纤维在二次电池中的应用进展. 刘健课题组总结了MOFs衍生碳基纳米反应器的合成策略, 提出了纳米反应器调控介观尺度下催化剂微环境和传质通道的理论见解. 王强课题组详细介绍了不同的载体、活性组分与制备方法对VOCs氧化整体式催化剂活性的影响, 阐述了新型能量供应方式的优势及耦合技术之间的协同促进作用. 基于国家重大需求，推动了空腔材料在电极材料、催化、吸附分离、黏附材料等方面的应用拓展.严凯课题组详细总结了水滑石纳米片用于生物质衍生物电氧化反应的机制与研究进展. 闫文付课题组综述了利用天然沸石、合成沸石和改性沸石去除废水中核素的研究进展, 为我国放射性废水处理技术的发展提供借鉴和参考. 张振杰课题组全面总结了共价有机框架材料在核废料处理、药物活性成分提纯、废水和废气处理方面的应用进展, 以及在产业化道路上面临的挑战. 徐鸣课题组深入挖掘了碳纳米管的黏附机制, 并列举了提升碳纳米管黏附性能的策略和方法. 王丹课题组构筑了中空多壳层结构氮化钛作为锂硫电池隔膜修饰材料, 有效提高了锂硫电池的比容量和循环稳定性, 为解决高比能电池的挑战开辟了新思路. 林锐标课题组使用高稳定性电荷辅助型氢键有机磺酸胍框架HOF-GS-10实现了从CH4和N2中有效捕获CO2. 由于本专辑的篇幅有限, 我们无法列出功能导向的空腔材料化学领域的所有最新进展. 我们希望通过本专辑的出版能够给予相关研究者有益的借鉴和启发, 促进空腔材料化学研究的进步, 推动空腔材料的科学创新和技术突破. 最后, 感谢所有的作者、审稿人和编辑人员在编写本专辑时给予的大力支持和贡献.