综述：半牺牲性模板法直接转化金属泡沫：合成方法与应用

《Coordination Chemistry Reviews》：Semisacrificial-templated direct conversion of metal foams: synthesis methods and applications

　　

梅红|杨世和

广东省纳米与微观材料研究重点实验室，北京大学深圳研究生院（PKUSZ）先进材料学院，中国深圳市518055

摘要

半牺牲性模板转化金属泡沫为制造先进三维（3D）整体材料提供了一种变革性的合成范式。本综述全面而批判性地分析了这一迅速发展的策略，该策略独特地利用预形成的金属泡沫作为结构支架和部分反应物来源。多种合成方法被系统地分类为液相（湿化学、水热、电化学）、气相（氧化、磷化、硫化、硒化）和固态转化。它们的各自机制原理和动力学控制参数被阐明。随后讨论了广泛的应用领域，评估了在催化（热催化、电催化和光催化）、能量存储（电池和超级电容器）、分离和生物医学领域的突破和挑战。其固有的优势——无需粘合剂、优越的传质/传电性能以及出色的结构稳定性——与现有局限性进行了系统的权衡，包括缺乏标准化的报告指标、精密工程研究不足、在分离和生物医学应用中的利用不足以及材料范围的限制。最后，我们展望了未来的发展方向，优先考虑跨领域的合作，包括扩展材料范围、从经验优化转向通过机器学习实现的数据驱动设计，以及嵌入可持续性和循环原则。这项工作强调了半牺牲性模板如何有效地弥合了刚性硬模板和传统涂覆方法之间的差距，使其成为工程化下一代可持续技术集成系统的关键平台。

引言

开发具有定制结构和性能的先进功能材料是现代材料科学的基本推动力，尤其是在可持续能源和环境应用方面[1]。在迄今为止研究的各种材料结构中，三维泡沫因其独特的结构和性能组合而长期受到学术和工业的关注[2]。泡沫形状，尤其是开孔泡沫，具有出色的孔隙率、高比表面积和曲折的流体路径，从而实现了高效的热质传递。这些特性在催化、分离和能量存储领域特别有利，因为在这些领域，接触活性位点并最小化传输限制对于性能至关重要[3]。金属泡沫是独特的轻质工程材料，具有较大的孔体积和相互连接的固体结构[4]。它们被认为是具有高表面积和导电性的优秀载体，集成了热、机械、声学和电性能属性[5]。

尽管具有这些结构优势，传统的制造功能化金属泡沫的方法，主要是涂覆技术，却面临着重大限制。基于浆体的活性相沉积（如浸涂或喷涂）通常会导致涂层均匀性和厚度的控制不佳，功能层与基底之间的界面粘附力弱，导致在操作应力下剥落，以及孔隙堵塞，从而阻碍了质传递并减少了活性位点的可及性[6]。这些缺点最终限制了其性能、耐用性和效率。为应对这些挑战，最近出现了一种创新的合成范式：半牺牲性模板直接转化。半牺牲性模板转化（SST）定义为将块状金属泡沫部分转化为功能性表面相，其中泡沫同时充当（i）三维宏观多孔支架和（ii）融入活性相的金属阳离子来源。未转化的金属核心必须保持连续，以保持结构完整性和导电性。狭义上讲，活性相中的金属阳离子完全来自泡沫基底；广义上讲，外部金属盐可以补充使用，以提供更大的成分灵活性，但泡沫仍然是功能层的金属来源和主要的结构支撑。本综述主要关注狭义定义，同时包括一些广义定义的例子，以提供更全面的方法概述。只有当一种合成策略同时满足以下条件时，才能将其视为SST：泡沫提供融入最终活性相的金属阳离子，而其余金属核心保持完整作为连续支架；且活性相在原位生长并化学结合到泡沫表面（无需粘合剂）。SST方法不仅仅是对表面进行涂层，而是诱导泡沫支柱的受控转化[7]。表面和内部区域被转化为新的功能材料，如氧化物、氢氧化物、磷酸盐或硫化物，而未转化的金属核心得以保留，从而提供机械强度和导电性[8]。SST是自模板转化的一个子集，其中模板金属泡沫仅部分转化为功能层。腐蚀工程是实现SST的一种机制或工具，但它必须保留泡沫作为支架的结构作用，并将部分泡沫转化为功能材料，而不仅仅是使其生锈。原位生长是SST的必要特征，但仅在惰性基底上的生长缺乏化学键合和金属离子的贡献。SST过程产生的复合材料是整体的、无粘合剂的，保留了原始泡沫的宏观多孔结构，同时赋予了全新的表面化学性质和功能。仅将泡沫作为惰性支撑的简单基底沉积方法不在本综述的讨论范围内。

SST策略巧妙地解决了传统模板方法的缺点[9]。与传统的硬模板或软模板不同，后者需要一个单独的、通常能耗较高的模板去除步骤[10]，半牺牲性模板是最终产品的重要组成部分。直接转化简化了制造过程，消除了对聚合物粘合剂的需求，并确保了活性相与导电支撑之间的紧密化学结合界面，这对于需要高导电性和长期稳定性的应用至关重要[11]。部分转化使得独特的混合结构和分级孔隙率成为可能，有利于规模化制备。金属因其化学多样性和多功能集成能力而特别适合[12]。通过利用氧化还原反应、热处理或电化学过程，研究人员可以工程化优化的结构和化学功能[13]。使用半牺牲性自模板方法，金属泡沫不仅作为支撑基底，还作为缓慢释放的金属来源融入功能活性相。尽管最近取得了进展，但目前还没有专门和全面的关于金属泡沫半牺牲性模板直接转化的综述。

本综述旨在填补这一空白，提供关于最新进展的系统概述，特别是那些活性相中的特定金属完全来自半牺牲性泡沫基底的报告（图1）。我们首先对主要合成方法进行分类和批判性分析，包括液相、气相和固态转化，并探讨了转化机制和动力学。然后，我们重点介绍了这些材料在催化、分离、能量存储和生物医学领域的最新应用。最后，我们讨论了这一策略当前的优点和局限性，并提出了未来研究方向的见解，旨在利用理性设计并加速下一代技术的新型混合架构的成功实施。

章节片段

评估用于半牺牲性模板的金属泡沫

表1比较了用于半牺牲性模板的各种金属泡沫，并提供了可作为决策指南的批判性分析。选择用于SST的金属泡沫涉及热力学驱动力和动力学可控性。金属腐蚀的热力学驱动力由其标准还原电位（E⁰）决定。更负的E⁰值表明金属更容易氧化（M → Mⁿ⁺ + n e^-），使其更具

合成方法

近几十年来，大量的研究工作致力于将结构化的金属直接转化为功能材料。金属泡沫的部分直接转化将其转化限制在其表面，引入活性位点的同时保留了多孔的高表面积金属框架。这种方法避免了全面的材料替换，使其具有成本效益和结构效率。例如，在金属有机框架（MOF）合成中

应用

金属泡沫的牺牲性模板直接转化是一种关键策略，用于合成具有精确工程结构和增强功能的先进整体材料。通过直接从多孔导电支架生长活性相，这种方法消除了与聚合物粘合剂相关的“ dead mass ”，确保了最佳的电气接触，并促进了快速反应动力学。此外，由此产生的集成3D泡沫基结构提供了

优点和局限性

上述例子突显了SST方法作为工程化集成功能材料战略平台的独特价值。通过利用3D金属泡沫作为结构模板和部分反应物来源，这种自上而下的方法规避了传统自下而上组装纳米结构或简单涂覆现有支撑的局限性[126]。它能够制造出整体、层次化的多孔金属支架，其表面化学和腐蚀

未来展望

半牺牲性模板直接转化策略已经牢固地确立为合成整体三维功能材料的基石技术。金属泡沫既作为支撑又作为部分活性相来源，展示了传统颗粒系统无法比拟的流体动力学优势和低压降特性。然而，本综述中提出的关键分析揭示了几个差距和未解答的问题

结论

将金属泡沫直接部分转化为功能材料直接解决了传统粉末基系统的核心挑战：较差的电气接触、机械不稳定性和低效的质传递。半牺牲性模板策略已成为材料科学的多功能平台，并因其能够无缝统一合成和架构而成为一种标志性技术。本综述提供了对该技术的全面分析

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：梅红和杨世和报告称获得了广东省科技部的财政支持；杨世和报告称获得了国家自然科学基金的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能

致谢

本工作得到了广东省科技计划（2026B0101070003）和国家自然科学基金（22579004）的支持。