多孔液体（Porous liquids, PLs）是一种具有永久性孔隙结构且呈现宏观液体状态的新型多孔材料。2007 年英国贝尔法斯特女王大学James教授团队首次提出“多孔液体”的概念（Figure 1），时隔八年后第一例由多孔有机笼（Porous Organic Cage, POC）和冠醚结合的多孔液体才被合成出来。毫无疑问，多孔液体综合了多孔固体材料的有序孔道结构和液体的连续性、稳定的传质性等优点，在气体捕集、均相催化等领域展现出巨大的应用潜力。因此，多孔液体的概念一经提出便引起了学者们的广泛关注。

Figure 1. Schematic illustration of conventional liquid and PLs. Reproduced with permission. (Adv. Mater., 2021, 2005745) Copyright 2021, Wiley-VCH

  多孔液体的合成一直处于不断的探索中，尤其在 2015 年之后，基于不同多孔客体和位阻溶剂的新型多孔液体相继被合成出来（Figure 2）：例如，2015年英国利物浦大学的Cooper课题组报道了基于多孔有机笼（Porous Organic Cage, POC）的多孔液体；同年，美国橡树岭国家实验室Dai Sheng教授课题组报道了第一例基于中空二氧化硅（Hollow Silica, HS）的多孔液体；2017年，西北工业大学郑亚萍教授与Dai Sheng教授课题组合作，报道了第一例基于中空碳球（Hollow Carbon Shpere, HCS）的多孔液体；2019年，上海科技大学李涛教授团队报道了第一例基于中孔金属有机骨架材料MOF MIL-101(Cr)的多孔液体；同年，西工大郑亚萍教授团队与Dai Sheng教授合作，报道了第一例基于氢化沸石（H-Zeolites）的多孔液体；2020年，浙江大学彭新生教授报道了第一例基于金属有机笼（Metal Organic polyhedra, MOP）的多孔液体；同年，科罗拉多矿业大学Braunecker团队合成了第一例基于共价有机骨架材料（Covalent Organic Frameworks, COFs）的多孔液体。

Figure 2. Chronology of advances in the discovery of novel porous liquids

  而且，近几年多孔液体应用也从最初报道的单一应用—气体捕集领域逐渐扩展到多个领域，尤其在近三年出现了膜分离、催化转化、手性分离、燃料脱硫等诸多新应用；此外，基于分子动力学（Molecular Dynamics, MD）或者蒙特卡洛（Monte Carlo, MC）等纯多孔液体理论模拟的研究也逐渐增多，推动了从微观层面理解多孔液体结构，多孔液体结构与性能之间的关系等。综上，多孔液体研究从最初的概念提出阶段、合成方法的大量探索、应用方面扩展、理论模拟的分析等方面均取得了较大的进展。尽管在论文数量上来看处于起步阶段（Figure 3），但是这种新型的“具有宏观流动性的多孔材料”正作为一颗冉冉升起的材料新星被越来越多的研究者关注。

Figure 3. The number of publications on"porous liquids" with varying years. The data was collected according to the keyword "porous liquids" since 2007. (Source: Web of Science, Search day: 08/28/2021)

  近年来，西北工业大学化学与化工学院郑亚萍教授团队在多孔液体与无溶剂纳米流体领域开展了一系列研究工作：采用原位耦合方法合成多孔碳流体（Small, 2021, 17, 2006687.），通过离子键接枝策略制备MOF多孔液体用于气体捕集（Chem. Eng. J., 2021, 416, 127625.），采用静电辅助策略构筑了Ti₃C₂T_x MXene纳米离子液体材料，将其用于聚合物基复合材料的纳米填料增强力学性能等（J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 15441.），通过颈状层-冠状层共价接枝策略构筑MXene无溶剂纳米流体（Chem. Eng. J., 2021, 409, 128082.），通过双阳离子策略构筑超低粘度ZIF-8多孔液体用于气体吸附与VOCs吸附（Chem. Eng. J., 2021, 417, 129239.），通过多氨基ZIFs与支化聚乙烯亚胺高分子链相互作用构筑超低低粘度MOF多孔液体（Chem. Eng. J., 2021, 429, 132296.），采用共价修饰方法构筑UiO-66多孔液体用于CO₂捕集（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 2600.），基于静电排斥作用构筑ZIFs基多孔液体（Sep. Purif. Technol., 2021, 276, 119305.），基于静电改性的聚离子液体构筑中空碳多孔液体（Sep. Purif. Technol., 2021, 277, 119410.），通过氢键稳定作用构筑氢化沸石多孔液体（Nanoscale, 2019, 11, 1515.），采用静电辅助液化中空碳构筑了多孔碳流体（Angew. Chem.2017, 129,15154.）等

  有鉴于此，在前期大量的研究基础上，结合已有多孔液体的研究工作，近期西工大郑亚萍教授和姚东东副教授团队在Advanced Functional Materials期刊上发表长篇综述论文（Figure 4）：

  （1）概述了多孔液体的分类、组成成分的特点和发展历程；

  （2）详细概述了三种多孔液体的合成策略（Figure 5,6），从全新角度总结了以往报道的多孔液体合成方法的异同点，从多孔客体与位阻溶剂之间的作用力出发，详细讨论了如何通过非共价作用力构筑多孔液体；

  （3）对多孔液体纯理论模拟研究进行了总结分析，通过分子动力学或蒙特卡洛模拟手段分析多孔液体的稳定性、分散性方面给出了详细讨论；

  （4）指出了多孔液体在测试表征方面存在的难题及解决方法，尤其对永久性孔隙和流动性方面表征进行了详细概述，并给出了如何利用常规手段进行孔隙的表征；

  （5）综述了近些年发现的多孔液体新应用（Figure 7），如膜分离、催化转化、手性分离、燃料脱硫等，并对多孔液体在光热转换、作为新型电解质和聚合物基复合材料的填料等领域的可能潜在应用进行了展望；

  （6）从9个方面分析并总结了多孔液体存在的挑战与发展方向。（a）从多孔客体的设计、调控角度出发，讨论了如何提高多孔液体中多孔客体的含量，如何实现将多孔固体材料的可控调控转移至多孔液体的精确调控，讨论了如何将无溶剂纳米流体的制备思路应用到新型多孔液体的合成方面；（b）从位阻溶剂的设计角度出发，如何调控多孔液体的粘度，给出了与实际生产中流动介质的需求相适应的多孔液体设计方向；（c）从测试表征角度出发，给出了多孔液体测试表征的建议；（d）分析了多孔液体设计需要重点考虑的粘度、分散稳定性、熔融温度等重要物理参数的设计要求及建议；（e）给出了多孔液体在纯理论模拟方面的建议，如利用粗粒化模型对多孔液体进行模型构建，分析多孔客体与位阻溶剂的相互作用，从已有的界面作用模拟研究扩展到更加接近实际的组分之间作用力分析；（f）给出了在合成方面通过优化合成工艺实现经济、高效的合成；（g）给出了多孔液体微观机理探究建议，如对于气体捕集与分离应用来说，如何通过优化传热、传质增强气体的吸附量及选择性分离，给出了多孔液体的表征应从以往的简单的气体吸附量的测试向气体穿透测试等方面扩展的建议；（h）考虑循环稳定性与再生性的问题，如针对气体捕集应用，给出了如何通过变温、变压等物理作用进行多孔液体的有效再生；（i）给出了进一步扩展多孔液体应用的建议，将多孔液体的应用从气体捕集与分离向光热转换，新型电解质等其它潜在应用领域扩展。

Figure 4. Overview covered in this review. From inside to outside:(1) the combination of solid and liquid, (2) components of PLs, (3) various classes of pore generators, and sterically hindered solvents, (4) synthesis strategies of PLs, (5) various emerging applications and potential applications. The abbreviation of PSM refers to post-synthetic modification

Figure 5.The synthesis strategies summarized from the previously reported porous liquids

Figure 6.The summary of non-covalent molecular interaction

Figure 7. The summary of emerging and potential applications of porous liquids

  本工作近期以“Shining light on porous liquids: from fundamentals to syntheses, applications and future challenges”为题在线发表于Wiley旗下材料领域权威期刊《Advanced Functional Materials》（2020 IF=18.808），西北工业大学为本文的第一完成单位，第一作者为西北工业大学化学与化工学院博士生王德超，现为新加坡国立大学访学博士生（国家建设高水平大学公派博士生项目资助），通讯作者为西北工业大学化学与化工学院郑亚萍教授，共同通讯作者为西北工业大学化学与化工学院姚东东副教授，此外，西安科技大学杨志远教授在本文的理论模拟部分及展望部分给予了讨论。本研究得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、国家留学基金委（CSC）公派博士生项目、西北工大博士论文创新基金等基金的资助。

  在本文研究基础上，目前该研究团队正在开展基于金属有机骨架材料（MOFs）、共价有机骨架材料（COFs）、金属有机笼（MOP）等先进多孔材料的新型多孔液体的设计与制备，及其在气体捕集与分离、聚合物基复合材料、均相催化、光热转换等领域的应用研究。

  论文信息及链接：D. C. Wang, Y. Y. Xin,  D. D. Yao*,  X. Q. Li, H. L. Ning, Y. D. Wang, X. Q. Ju, Z. J. He, Z. Y.Yang, W. D. Fan, P. P. Li, Y. P. Zheng*, Shining light on porous liquids: from fundamentals to syntheses, applications and future challenges, Advanced Functional Materials, 2021, 2104162. 

  https://doi.org/10.1002/adfm.202104162

科研团队简介：

  近年来，西北工业大学郑亚萍教授团队（下文简称团队）长期从事多孔液体、无溶剂纳米流体的设计与开发，及其在气体捕集与分离、聚合物基复合材料等领域的应用研究。团队现有教授1人，副教授1人，研究生20余人和本科生10余人。团队近几年在多孔液体领域取得了一系列进展，成功构筑了基于中空碳球、中空SiO2、MIL-53、UiO-66、ZIF-8、ZIF-67、金属有机笼等一系列多孔液体，并将其应用于碳捕集、聚合物基复合材料纳米填料、膜分离、催化转化、光热转换等领域。

  长期以来，团队依托学校优势工科，积极与国内外多个科研院所（中国航天研究院、中科院核物理研究所、美国橡树岭国家实验室、新加坡国立大学等）开展广泛合作，探索多孔液体与无溶剂纳米流体的应用研究。截止目前，已主持完成国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、航空科学基金等国家级、省部级纵向课题和横向课题20余项。在AFM、ACS Nano、Angew. Chem.、Small、JMCA、CEJ、Nano-Micro Lett等权威期刊发表论文180余篇；授权国家发明专利12件；参编高等学校教材4部。