基于定向冷冻技术构建的多孔材料及其应用

定向冷冻技术是将原材料、溶剂及添加剂均匀混合，利用溶剂的“液-固-气”相转变获得多孔材料的一种方法，具有操作简便和绿色环保等优点。与通常的造孔技术不同，定向冷冻技术可实现对物理、化学和力学性能的高度控制，所制备的材料具有定向排列的孔隙和不同层面上的分级结构。这种技术被广泛应用于制备具有各向异性的无机、有机、杂化和碳质多孔材料。此外，该方法还可以扩展到模拟天然结构的仿生材料中，以组装具有优异力学和物理特征的多孔复合材料，在环境、能源、热管理和生物医学等领域具有广阔的应用前景。本文从定向冷冻技术的来源以及原理出发，根据单颗粒及多颗粒的受力模型揭示了定向结构的形成机理，分析了溶质、溶剂、温度梯度和添加剂等对材料结构以及性能的影响。另外，根据前驱体材料掺杂改性的不同手段，介绍了一步法与两步法制备定向结构的特点。同时，总结了定向冷冻技术在污染物吸附、能量储存与转换、结构材料、热管理和生物材料等方面的研究进展，最后指出了当前研究中亟需解决的问题，并展望了其未来的发展方向。