Page 87 - 《精细化工》2023年第3期

第 3 期 赵 峰，等: 基于冰模板法构筑孔道结构的合成策略及研究进展 ·543·

图 3 不同界面速度下凝固前沿的生长示意图（a） [23] ；冰模板的技术原理图中不同的装置：高水平的控制（b） [24] 、
低水平的控制（c） [25]
Fig. 3 Growth diagram of solidification front at different interface velocities (a) [23] ; Different setups utilized to the technical
schematic of ice-templating: High-level of control (b) [24] , low-level of control (c) [25]

1.3 通过孔道结构优化传质性能 能复合材料适用性以拓宽用途。
相比于传统多孔结构，梯度分级孔道结构能促进 冰模板法制备的最终支架结构（孔隙率尺寸、
颗粒的传输和扩散，主要归因于结构的毛细作用 [26] 。 层间桥接、内表面粗糙度）与冰晶形成的影响因素
此外，多尺度孔结构能促进活性位点与传质之间的 （悬浮液体系、添加剂性质、冷却速率、温度梯度、
[8]
接触，并大大增强分子扩散，改善孔隙形态和缩短 冷源表面）息息相关 ，通过控制影响因素，实现
孔隙通道，使得材料呈现出诸多优良特性。 微观结构的精确调控，以设计和制造特异性的功能
以多孔支架为基础的传质是指在扩散驱动下， 复合材料。
支架与周围颗粒之间的交换，其性质主要取决于支 2.1 改变悬浮液体系
架的渗透性，而渗透性又由支架孔隙率、支架厚度、 由于材料的孔隙形态是通过复制冰晶结构所
孔道连通性和扩散梯度的陡度等因素决定 [27] 。孔隙 得，悬浮液体系的溶剂种类、溶剂浓度和颗粒粒径
拓扑结构的渗透性是基质的一种物理性质，它随流 对孔径、孔隙分布及多尺度孔隙结构的性质等有着
动路径上孔径的增加而增加 [28] ，分子在流动孔隙内 直接的影响。因此，需要进一步探究如何通过控制
的平流以及扩散到固定孔隙内，影响了传质的流动 冰模板所使用的悬浮液体系的溶剂种类、溶剂浓度
和运输 [29] 。因此，支架的孔体积和互连程度确保了 及颗粒粒径在边界上的运动和交换，来更好地调控
传质能够提高有效扩散率，缩短扩散长度，并避免 材料的孔隙结构。
了沉积和失活 [30-31] 。多孔材料存在着由宏观到微观 不同种类的溶剂具有不同的冷冻固化特性，在
多尺度的互联通道，随着穿过通道中心的能量屏障 不同的取向上会表现出各向异性，但各向异性并不
的减少（即分散相互作用的减少），引起孔径增加和 随着取向的变化而产生不同的特性 。此外，不同
[4]
扩散率的提高，并在有限体积内形成传输阻力最低 种类的溶剂的生长和升华动力学不同，材料的孔隙
的结构 [32] 。此外，给定支架的拓扑结构控制孔隙的
率和孔径会随着溶剂的改变而发生变化。因此，选
形状及分布，会对质量传输动力学和传质穿过孔隙 择合适的溶剂使颗粒与冰晶前沿互相作用 [39] ，通过
的机理产生影响 [33] 。由上可知，有序的孔隙结构、
将各种组分集成在层状多孔材料内部，达到优化多
确定的孔径分布和可调节的表面性质，能够制备具
孔结构材料性能的目的。FERRARO 等 [34] 利用定向
有排列规律且孔形规则的多孔材料，从而优化传质
冷冻技术对碳化硅（SiC）纤维的孔隙结构进行调控，
性能。
通过调整悬浮液成分使其产生了多孔网络结构，这
2 冰模板法对孔道结构的调控措施 种独特结构的层间距离在 1~10 µm 之间变化（图
4a~b），且当 SiC 纤维胶体悬浮液的体积分数从 7.5%
冰模板法通过调节冰晶与基质之间的相互作 减少到 1.5%时，孔隙率从 92%增加到了 98%。
用，可对局部孔取向和孔形态分别进行精细调节和 溶剂浓度对定向冷冻产生的多孔材料的微观结
[4]
精准设计 。此外，该方法具有优异的多功能性， 构具有强烈的影响。对于具有相同固体负载量的悬
可将其用于定向调控陶瓷 [34-35] 、聚合物 [36] 、金属 [37] 浮液而言，溶剂浓度的变化将使冰模板组装过程中
和碳纳米材料 [38] 等材料体系的孔道结构，并增强功 胶体溶液浓度发生变化。仿生结构材料的孔隙率与