調(diào)控固體催化劑的分子吸附-脫附行為，是實現(xiàn)復(fù)雜催化過程精準控制的關(guān)鍵。2025年12月7日內(nèi)蒙古大學能源材料化學研究院趙東元院士/馬玉柱教授、聯(lián)合武利民教授、吉林大學朱有亮教授等，在Nature Communications期刊上發(fā)表了題為“Gaussian Curvature Engineering of Self-pressurizing Mesoporous Nanoreactors Boosts Dynamic Equilibrium of Molecule Adsorption-Desorption”的重要研究。內(nèi)蒙古大學李金縈、吉林大學郭盛宏、內(nèi)蒙古大學郭佩婷為論文共同第一作者。
第一作者：李金縈、郭盛宏、郭佩婷
通訊作者：馬玉柱、武利民、朱有亮
第一通訊單位：內(nèi)蒙古大學
論文DOI：10.1038/s41467-025-67191-9
研究亮點
基于納米液滴屈曲策略，設(shè)計出一系列從凹面到凸面結(jié)構(gòu)的介孔納米反應(yīng)器，實現(xiàn)對其高斯曲率的精細調(diào)控；
在單顆粒水平上調(diào)節(jié)熱限域自增壓與外部附加壓力，構(gòu)建分子吸附-脫附動態(tài)平衡橋梁，大幅提升催化效率與目標產(chǎn)物選擇性。
高斯曲面工程策略
依據(jù)楊-拉普拉斯理論，彎曲的液-固界面會產(chǎn)生指向曲率中心的附加壓力。這種壓力源自液相表面張力，并通過分子動量傳遞作用于高斯曲面，最終體現(xiàn)為液體分子對納米顆粒表面的定向吸附驅(qū)動力。為平衡外部壓力，團隊設(shè)計了系列自增壓納米反應(yīng)器，多孔殼層將熱量高效局域于空腔內(nèi)部，形成腔內(nèi)高溫與周圍溶劑低溫的顯著溫差效應(yīng)。依據(jù)安托萬方程計算不同高斯曲面腔體內(nèi)的飽和蒸汽壓，通過精準設(shè)計高斯曲率，在吸附與脫附之間建立起定量的動態(tài)平衡橋梁（圖1）。
圖1 基于高斯曲面效應(yīng)優(yōu)化納米反應(yīng)器結(jié)構(gòu)
通過可編程納米液滴屈曲策略，精確調(diào)控介孔二氧化硅納米反應(yīng)器的凹凸曲率。表面張力誘導(dǎo)液相界面產(chǎn)生凈向內(nèi)收縮，促使分子沿凹面法向方向集體傳遞動量（即外部壓力），進而推動分子向納米反應(yīng)器表面吸附（圖2）。
圖2 凹凸介孔納米反應(yīng)器的設(shè)計原理與可調(diào)吸附效應(yīng)
圖3 可編程納米液滴屈曲策略生長機理。
在腔體內(nèi)原位封裝親水性Fe3O4納米顆粒構(gòu)建多功能光熱納米反應(yīng)器。不同高斯曲率的納米反應(yīng)器呈現(xiàn)出差異化光熱效應(yīng)。當結(jié)構(gòu)從凸面過渡到凹面時，內(nèi)部腔體體積減小，溫度梯度升高。該溫差效應(yīng)有效提升內(nèi)部壓力，增強分子向外的動量傳遞，進而加速脫附過程。因此，通過巧妙設(shè)計納米反應(yīng)器的高斯曲率，可動態(tài)調(diào)和其內(nèi)部與外部壓力，最終達成對分子吸附-脫附過程的智能調(diào)控（圖4）。
圖4 光熱納米反應(yīng)器中的可調(diào)熱學性質(zhì)與脫附效應(yīng)。
構(gòu)建分子吸附-脫附動態(tài)平衡橋
光熱納米反應(yīng)器在生物質(zhì)衍生的5-羥甲基糠醛（HMF）向高附加值產(chǎn)品5-甲?；?2-呋喃甲酸（FFCA）的級聯(lián)氧化反應(yīng)中，獲得了高達97.9%的選擇性，且反應(yīng)效率相較傳統(tǒng)加熱方式提升了一個數(shù)量級。機理研究表明，光熱納米反應(yīng)器內(nèi)部加熱所產(chǎn)生的熱對流方向與熱量傳遞方向一致，這種由內(nèi)向外的渦旋效應(yīng)有效促進了分子運動速率并擴大了傳質(zhì)范圍。相比之下，傳統(tǒng)的外部加熱方式僅在納米反應(yīng)器外圍引發(fā)切向流動，傳質(zhì)效率受限（圖5）。
圖5 用于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的自加壓介孔納米反應(yīng)器
理論計算與有限元模擬表明，納米反應(yīng)器曲率關(guān)聯(lián)的分子吸附-脫附數(shù)量曲線呈現(xiàn)拮抗關(guān)系，盡管凹面增強了吸附能力，但過高的內(nèi)部壓力導(dǎo)致脫附分子量顯著超過吸附量。相反，凸面納米反應(yīng)器因內(nèi)部腔體較大，溫差效應(yīng)較小，從而產(chǎn)生較低內(nèi)壓和較慢脫附速率。此時，吸附與脫附曲線的交點代表趨近動態(tài)平衡的特定曲率值。在此平衡點（接近Recctor-3）處吸附與脫附數(shù)量趨近動態(tài)平衡，顯著提升了目標產(chǎn)物的選擇性（圖6）。
圖6 納米反應(yīng)器高斯曲面效應(yīng)誘導(dǎo)的分子吸附-脫附平衡
總結(jié)
這項工作設(shè)計了一系列從凹面到凸面結(jié)構(gòu)的介孔納米反應(yīng)器。該研究在單個納米反應(yīng)器層面構(gòu)建了熱限域自加壓和外部附加壓力的精確調(diào)控。定制的凹面納米反應(yīng)器中的雙向壓力平衡意味著分子吸附與脫附之間的平衡，表現(xiàn)出最佳的催化性能。這為探索更多功能納米反應(yīng)器中分子吸附-脫附的強度搭建了一座動態(tài)平衡橋梁。
另：因發(fā)展需要，內(nèi)蒙古大學趙東元/馬玉柱團隊招聘博士后，博士、科研助理，歡迎進入團隊工作，有意向的可發(fā)送簡歷到趙老師郵箱，[email protected]，并抄送：[email protected]（馬玉柱）。
作者介紹
馬玉柱，內(nèi)蒙古大學能源材料化學研究院 副院長，教授，博士生導(dǎo)師，教育部青年長江學者，趙東元院士團隊成員。主要從事新型功能介孔材料的設(shè)計，尤其是多腔不對稱介孔復(fù)合材料的可控制備及其在串聯(lián)催化、儲能等領(lǐng)域的應(yīng)用-構(gòu)效關(guān)系研究工作，以第一/通訊作者在Nat. Rev. Chem., Nat. Nanotechnol., Nat. Synth., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等期刊上發(fā)表論文30余篇，主持國家自然科學基金面上項目、自治區(qū)科技突圍重點項目等，榮獲自治區(qū)青年拔尖人才等榮譽稱號，并擔任《eScience》、《Polyoxometalates》、《Nano Research Energy》和《Microstructure》等期刊青年編委。郵箱：[email protected]
朱有亮，博士，吉林大學化學學院研究員，博士生導(dǎo)師。致力于發(fā)展聚合物分子動力學模擬方法和軟件，提出了在粗?；Ｐ椭忻枋隹赡娣磻?yīng)、氫鍵和配位鍵等的“動態(tài)鍵”方法，開發(fā)了GALAMOST和PYGAMD等軟件，軟件應(yīng)用結(jié)果已在Science等國際著名期刊發(fā)表論文220余篇。在Nat. Electron., Nat. Commun., Adv. Mater., ACS Nano, Nano Lett.等雜志上發(fā)表論文90余篇，被引用超過1800次，獲批軟件著作權(quán)4項，主持國家自然科學基金青年項目和面上項目（2項）,主持企業(yè)或高校橫向項目多項。郵箱：[email protected]
武利民，內(nèi)蒙古大學黨委副書記、校長，教授、博士生導(dǎo)師；教育部長江學者特聘教授、國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體帶頭人，第八屆教育部科技委委員(材料學部)。在Nature Materials, Nature Sustainability, Sci. Adv., Nat. Commun., Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., JACS等期刊發(fā)表論文近400篇，他引17000余次，獲發(fā)明專利近70項。
趙東元院士，中國科學院院士、第三世界科學院院士。主要從事介孔材料的可控合成及催化、能源、環(huán)境、生物應(yīng)用研究，發(fā)展合成了19種復(fù)旦大學命名的介孔材料及系列新組分、結(jié)構(gòu)的有序介孔材料，提出了一系列合成新方法體系，取得了國際公認的開創(chuàng)性成果，發(fā)表SCI論文800余篇，包括Science, Nature, Nat. Mater., Nat. Chem., JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater等頂級期刊，被引12萬余次。獲國家自然科學一等獎、國家自然科學二等獎、何梁何利科學進步獎、中國化學會-化學貢獻獎、中國分子篩成就獎等國內(nèi)外重要獎項，任國際介觀材料協(xié)會主席、ACS Central Science執(zhí)行編輯、National Science Review副主編等?，F(xiàn)任復(fù)旦大學化學與材料學院院長，復(fù)旦大學黨委常委、統(tǒng)戰(zhàn)部部長，內(nèi)蒙古大學能源材料化學研究院院長。郵箱：[email protected]
