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南京大学揭克诚教授团队Angew.:主客体络合作用增强非多孔金属有机多面体合成II型多孔液体

2026-04-24 19:25:41

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兼具固体永久孔隙与液体流动性的多孔液体（PLs），打破了传统多孔固体与液体吸收剂的性能边界，成为气体分离领域的前沿新星。其中II型多孔液体因合成简便、多孔分子均一分散等优势备受关注，但刚性多孔分子易结晶、极性溶剂兼容性差、多孔客体负载量低、孔道易堵塞等问题，始终是制约其性能提升与工业化应用的核心瓶颈。

南京大学国家级青年人才计划入选者揭克诚教授，联合美国Vanderbilt大学De-en Jiang教授团队，创新性提出主客体络合增强溶解策略，成功构筑出创纪录高MOP负载量的II型多孔液体，从根源破解传统制备难题。相关成果以“Synthesis of Type II Porous Liquids from Nonporous Metal–Organic Polyhedra Enhanced by Host–Guest Complexation”为题，发表于国际顶级化学期刊《Angewandte Chemie International Edition》。第一作者为南京大学张兆聪、宁海龙和美国Vanderbilt大学刘洪军。

该研究突破传统“相似相溶”共价修饰思路，提出主客体络合增强溶解新策略，用于制备兼具创纪录高MOP含量的II型多孔液体。其中，极性液态柱[5]芳烃（P5-L）位阻溶剂发挥双重作用：既作为尺寸排除型位阻溶剂，又可特异性结合MOP-18多孔客体表面的非极性正十二烷基链，大幅提升极性与非极性两组分的相容性，协同提高MOP-18多孔客体溶解度的同时，有效阻止正十二烷基链嵌入MOP-18多孔客体空腔造成孔道堵塞，从机制上保障永久孔隙的可及性。

研究内容

UV-Vis与FT-IR光谱证实，P5-PL中P5-L位阻溶剂与MOP-18多孔客体两组分结构完整且均匀混合。TGA测试表明，在300℃内无明显质量损失，热稳定性优异。DSC结果显示，P5-L位阻溶剂与P5-PL-30%的熔点分别为-54.1℃和-56.7℃，远低于室温。流变测试证实，25-70℃范围内材料损耗模量始终高于储能模量，具备典型液体特性。SAXS与WAXS散射结果表明，MOP-18多孔客体在P5-L位阻溶剂中呈无规分子级分散，无长程有序晶态聚集，解决了MOP易结晶的难题。

作者从非多孔金属有机多面体（MOP-18）多孔客体出发，通过引入长链烷基（n-十二烷）实现了疏水修饰，再借助液态柱[5]芳烃（P5-L）位阻溶剂的主–客体络合作用，最终获得了稳定的II型多孔液体（P5-PL）（图 2a）。接着，作者展示了MOP-18及其烷基化衍生物MOP-18-nC₁₂ 的结构式与合成路线图（图 2b）。作者还研究得到了化合物的单晶结构与分子模型，直观呈现出了MOP的多面体构型及外部烷基链的分布情况（图 2c-d）。作者还研究了不同体系（如MOP-18、MOP-18-nC₁₂、P5-L及其混合物）的外观图像，图中显示未经主-客体作用的MOP多孔客体体系无法在溶剂中稳定分散，而引入P5-L位阻溶剂后形成的混合液则呈现均一透明的流体状态（图 2e）。并且，作者还通过紫外-可见吸收光谱（UV–Vis）验证了P5-L的加入显著提升了MOP多孔客体的溶解度，这表明主–客体作用有效促进了分子级分散（图 2f）。此外，作者进一步量化了溶解浓度，显示经络合作用后MOP多孔客体的溶解量从几十毫克每克提升至数百毫克每克，溶解性能提升超过一个数量级（图 2g）。

为了验证非多孔MOP-18多孔客体在液体中通过与液态柱[5]芳烃（P5-L）位阻溶剂的相互作用实现分子级分散及孔隙重构的可行性，作者研究了通过主–客体络合作用实现的多孔液体P5-PL的结构形成机制与液相状态表征结果。图 3a展示了P5-L位阻溶剂与MOP-18-nC₁₂多孔客体的主–客体复合示意图，说明P5-L位阻溶剂的环状空腔能够络合MOP多孔客体表面疏水的n-十二烷链，从而防止这些长链之间的自穿插或堆叠导致的孔道封闭。接着，作者通过紫外可见光谱（UV-Vis）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）的对比结果，发现MOP-18多孔客体溶解于P5-L位阻溶剂后出现特征吸收峰位的移动和强度变化，证明了主-客体间的相互作用确实发生（图 3b-c）。作者还对P5-PL进行了小角X射线散射（图 3d）。结果表明，P5-PL中的散射信号对应于单分子分散态结构，不再出现固体MOP-18多孔客体特有的长程有序衍射峰，说明分子笼在液体中均匀分散而非形成聚集体。作者通过广角X射线散射（WAXS）和透射电子显微镜（TEM），进一步确认体系中不存在晶态聚集结构，体现出典型的无序流体特征（图 3e-f）。最后，热重分析（TGA）与流变学测试表明该多孔液体具有良好的热稳定性和低黏度流动性（图 3g-h）。

综上所述，本篇文章主要报道了一种基于主–客体作用用于构筑由非多孔金属有机多面体衍生的II型多孔液体的创新策略。作者通过将表面带有n-十二烷链的MOP-18多孔客体与具有空腔结构的液态柱[5]芳烃（P5-L）位阻溶剂结合，使两者在液相中形成稳定的主–客体复合体系。该策略显著提高了MOP多孔客体的溶解度和分散性，有效防止了烷基链自穿插导致的孔道阻塞，从而在液体中成功恢复并保持了笼体的内部永久孔隙。通过结构表征、气体吸附实验及分子动力学模拟，作者证实了所得多孔液体P5-PL具有高浓度、低黏度、永久孔隙及优异的CO₂/N₂选择性吸附性能。此外，该体系还被用于构筑混合基质膜，展现出了显著提升的气体分离性能，为设计高性能、可调控的多孔液体材料开辟了新的研究方向。

多孔液体其它知识扩展

小编查阅及专业词语说明：目前多孔液体用于气体分离的专业名词较为混乱，根据英文解释及中文词典的准确查阅，吸附（adsorption）一般用于固体，吸收（absorption）一般用于液体，因此，准确来说III型多孔液体作为一种高度稳定均一的“固-液混合物”，在描述气体分离性能应该使用“吸附-吸收”这个联合词语（adsorption-absorption），本词语也是借鉴中国石油大学（北京）陈光进教授团队的文章中的描述。

同时，中文词典里面还有一个词— 吸着（sorption），也可以统称描述固体或者液体的气体分离，本词语的使用同样也是借鉴陈教授指导的博士论文中的描述。

如读者有更好的描述词语，欢迎留言，广泛讨论。

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图文编辑：Li XiaoYang。

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团队简介

无溶剂纳米流体与多孔液体团队（下文简称团队）由西北工业大学资深教授领衔，核心研究骨干汇聚西安电子科技大学、空军工程大学、空军军医大学、西安科技大学、南通大学、西安航空学院、中航工业一飞院/西飞等多所高校与科研机构的教师及研究员。团队目前拥有教授2人、副教授及研究员17人，其中6人具备海外留学背景，专业布局横跨高分子化学、材料科学、化学工程与计算机技术等多学科前沿。团队指导在读博士15人、硕士70余人，共同构成一支结构合理、视野开阔、交叉融合的高层次科研队伍。

团队长期致力于新型无溶剂纳米流体与多孔液体的原创研发与功能化应用，前瞻性布局于高性能复合材料、光热转换、气体分离、催化转化、生物医学及电磁屏蔽/隐身材料等尖端领域，构建了“基础理论-材料创制-工程应用”全链条贯通的协同创新体系，推动基础研究与技术转化的协同发展。近3年来，团队承担国家级、省部级及行业重要课题共计51项，其中国家自然科学基金9项，国防科工委、工信部、中央高校科研业务费及央企/国企课题42项。

团队累计发表SCI论文400余篇（统计时间：2025年11月30日），获授权国际及国内发明专利70余项。团队在国际上较早系统开展无溶剂纳米流体与多孔液体研究，尤其在多孔液体领域取得系列突破性进展，已发表相关论文90余篇。团队创立并运营的“多孔液体”学术公众号已成为国内该领域的权威交流平台，多项成果获美国化学会（ACS）官网专题报道（相关链接见往期推送的无溶剂纳米流体与多孔液体专辑）。

团队积极构建开放的协同创新生态，国内与中科院化学所/北航/武大/天大/南大/中石大（北京/华东）/北化/南工大/江大等科研院所的相关团队深度合作；国际与新加坡国立大学（NUS）、美国康奈尔大学（Cornell）、沙特国王科技大学（KAUST）等世界知名学府及研究所保持紧密交流与合作。团队拥有完善的性能评价与研发平台，配备力学/阻尼测试、正电子湮没寿命谱（PALS）、常压/超高压气体吸附/吸收/膜分离、光热转换、原位催化转化等先进仪器设备。目前，核心技术已在航空航天领域实现成功应用，包括作为高性能复合材料增强填料、耐腐蚀涂层及特种润滑油添加剂等；在能源化工领域，用于气体分离、光热转换及催化转化等方向展现出巨大潜力。多项成果经鉴定已达国际先进水平，已在陕西榆林、咸阳及浙江宁波系统布局中试基地，正全力推进从实验室到产业化的衔接，为技术规模化应用与迭代升级奠定坚实基础。