多孔材料内部的传质传热行为解析

你可能听说过“会呼吸的窗帘”、“能调温的墙体”，但你知道吗？它们背后使用的关键材料，正是一类被称为“多孔材料”的神奇物质。

这些材料内部布满微小孔洞，就像海绵一样，它们不仅能够吸附和传输气体或液体，还能在某些条件下像“呼吸一样”完成物质与热量的交换。多孔材料在现代科技中的应用可谓无处不在：从空气净化器中的活性炭，到新能源汽车电池的隔膜，再到捕捉二氧化碳的“人工叶子”。

那么，多孔材料是如何在微观世界中“传质”与“传热”的？它们的结构为什么如此关键？让我们一起走进这个看似柔软却极其强大的材料世界。

一、多孔材料是什么？

顾名思义，多孔材料指的是内部拥有大量孔隙（pore）的固体材料。这些孔可以根据尺寸分为：

微孔（<2 nm）：如沸石、MOF

中孔（2~50 nm）：如介孔硅材料、某些氧化物

大孔（>50 nm）：如泡沫金属、气凝胶、活性炭颗粒

这些孔洞互相连通或封闭，形成了巨大的比表面积（可以达到几百到上千 m²/g），也提供了丰富的路径，让分子可以在其中扩散、迁移或反应。

这就为传质与传热提供了“高速公路”和“微型散热片”。

二、多孔材料中的传质：迷宫中的分子旅行

在多孔材料中，传质主要表现为分子在孔道中的扩散过程，它与我们日常理解的“分子自由移动”有显著不同。

1. 分子扩散的方式

根据孔的大小与分子的自由程关系，扩散方式主要包括：

分子扩散：在大孔道中，分子像在空气中一样自由运动，类似“平地奔驰”；

克努森扩散：在孔道变得狭窄（小于分子自由程）时，分子更常与孔壁碰撞，这时候它像是在“巷子里穿行”；

表面扩散：在极小孔道内，分子几乎贴着孔壁滑动，就像蚂蚁贴着管道爬行；

跳跃扩散：有些分子被吸附在一个位点后，会“跳跃”到下一个位点，像在“停车格”之间穿梭。

这些机制常常同时发生，具体由材料的孔结构、表面化学、温度和压力共同决定。

2. 影响传质的关键因素

孔隙率与连通性：如果孔道彼此孤立，传质效率低；相反，孔道连通则如“地下交通网”，提升效率；

孔径分布：单一孔径便于预测行为，而多级孔（微+中+大孔）结构则更有利于兼顾吸附和传输；

表面官能团：决定了分子是否容易被吸附，影响其在孔道中的停留时间和迁移路径。

例如，在气体分离膜材料中，科学家可以通过“调节孔径精度”来实现只让某种特定分子通过，从而实现高效分离。

三、多孔材料中的传热：小孔，大热阻？

虽然多孔材料传质效率高，但它们的传热行为却比较复杂，甚至常常是一个“瓶颈”因素。

1. 多孔材料为何传热慢？

固体骨架少：孔越多，真正导热的固体部分越少

气体导热性差：孔隙中多数是气体，而气体的热导率远低于固体；

界面热阻大：孔壁界面会造成热流散射与反射，形成“热量的拥堵”现象。

这就是为什么像气凝胶这样的材料能被用作宇航员服装或建筑隔热层，它们导热率低得惊人，是“超级保温瓶”。

2. 提高传热性能的策略

引入导热填料：如加入石墨烯、碳纳米管等高热导颗粒；

结构设计优化：构造“导热路径”或“导热骨架”，避免热流迷路；

界面工程：通过界面修饰减少热阻，如涂覆导热分子层等。

在实际应用中，工程师会根据用途进行“传质/传热性能平衡设计”。例如：

在催化剂载体中，需要传质快、传热适中；

在隔热层中，追求超低热导率，传质反而要尽可能小。

四、多孔材料的典型应用

（1）活性炭：气体吸附的“黑海绵”

拥有发达的大孔与中孔结构，适合快速吸附空气中的有机污染物或异味分子，在空气净化器中广泛使用。

（2）金属有机框架（MOF）材料：气体分离与存储的“分子筛”

MOF不仅孔径规整，还可以通过调节配体实现“可编程吸附”，被广泛应用于氢气存储、CO₂捕捉和气体传感器。

（3）催化载体：化学反应的“平台”

许多异相催化反应都依赖于多孔材料作为反应物的接触与转化媒介。材料如氧化铝、分子筛等都是工业常客。

（4）泡沫金属：散热与减震的“两栖战士”

在电池散热、LED冷却中，泡沫铜、泡沫铝等材料提供高气体通透性和中等热导率，是兼顾传质与传热的典型例子。

五、未来展望：智能、多功能的“呼吸材料”

多孔材料不再是“静态”的结构体，科学家正让它们变得更智能、更有响应性：

响应型孔道：可随温度、pH、光照等改变孔径

传热调控材料：通过电场或磁场改变热导率，实现“热开关”；

多功能复合体：一边吸附污染物、一边释放热量或调节湿度，真正实现“会思考的材料”。

选自微信公众号 国内外知视