新型超高比表面积硅基固态材料的突破：分子级水合硅氧四面体褶皱片层结构

本研究针对传统高比表面积材料（如纳米多孔碳NPC，SSA~3000 m2 g?1 ）在功能基团、化学稳定性等方面的不足，通过湿化学合成法开发出具有2500 m2 g?1 超高比表面积（UH SSA）的硅基褶皱片层材料。该材料兼具高羟基化、生物相容性和热稳定性，为催化、吸附及生物医学应用提供了革新性解决方案。

　　

在材料科学领域，比表面积（SSA）是决定材料性能的核心参数之一。当前，纳米多孔碳（NPC）以3000 m²
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的SSA领跑无机材料，但其碳基结构的局限性——如表面疏水性、氧化环境不稳定性及潜在毒性——严重制约了其在催化、生物医学等领域的应用。相比之下，硅基材料虽具有优异的化学稳定性和生物相容性，但传统硅酸盐（如沸石、介孔二氧化硅）的SSA仅约1000 m²
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，难以满足高性能需求。如何突破硅基材料的SSA极限，同时保留其固有优势，成为材料设计的重大挑战。

针对这一难题，来自俄罗斯的研究团队（第一作者Dmitry A. Kurdyukov等）在《Materials Today》发表了一项突破性研究。他们通过改良的St?ber法（一种溶胶-凝胶合成技术），以有机硅烷和烷基胺为模板，成功制备出由硅氧四面体[SiO₄
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构成的褶皱片层结构新材料。该材料的SSA高达2500 m²
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，刷新了氧化物材料的记录，且具备独特的分子级水合特性与可调控表面功能化能力。

关键技术方法
研究采用湿化学合成法，以四乙氧基硅烷（TEOS）和[3-（甲基丙烯酰氧基）丙基]三甲氧基硅烷（MPTMOS）为前驱体，十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为软模板，通过氨催化水解-缩聚反应构建初始复合物。后续通过温和热处理去除有机物，保留硅氧骨架的纳米多孔结构。表征手段包括X射线光电子能谱（XPS）、核磁共振（NMR）和透射电镜（TEM），证实了材料的分子级混合结构与超高比表面积特性。

研究结果

1. 材料合成：通过调控TEOS/MPTMOS比例与CTAB浓度，获得具有0.5–3 nm孔径的微介孔混合结构，其SSA较前期研究（1200–1600 m²
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   ）显著提升至2500 m²
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   。
2. 结构解析：TEM显示材料由厚度接近单层硅氧四面体的褶皱片层构成，SAXS（小角X射线散射）数据证实其无序但均匀的开放骨架。
3. 性能优势：表面硅醇基（≡Si–OH）密度达到历史最高水平，赋予材料超亲水性；热重分析表明其在800°C下仍保持稳定，且无毒性、不可燃。

结论与意义
该研究首次实现了硅基材料SSA的质变性突破，其性能超越传统沸石和介孔二氧化硅，直逼纳米多孔碳。材料的高羟基化表面不仅增强了吸附选择性（如对极性分子的高效捕获），还为催化剂负载提供了理想活性位点。在环境与生物医学领域，其生物相容性和化学稳定性解决了NPC材料的应用瓶颈。例如，在污水处理中，该材料可同时实现重金属吸附与有机污染物降解；在药物递送系统中，其可调控的表面化学能优化载药效率。

这项成果为设计下一代高性能硅基功能材料提供了全新范式，未来或将在能源存储（如超级电容器电极）、绿色催化（如低温催化剂载体）等领域引发连锁创新。研究团队特别指出，该合成策略可扩展至其他氧化物体系，为开发兼具超高SSA与特定功能性的材料开辟了道路。