导语
多孔有机聚合物（POPs）在气体吸附领域潜力巨大，但其“不溶不熔”的特性导致难以加工成坚固的整体部件，严重制约实际应用。近日，国防科技大学研究团队在材料科学顶级期刊《Advanced Functional Materials》上发表重要研究成果。该研究创新性地采用火花等离子烧结技术，在数分钟内将POP粉末直接转化为高强度的整体块材。该工艺无需任何黏结剂，制备的块体抗压强度高达85.12 MPa，同时在比表面积显著下降的情况下，仍能保持优异的CO₂吸附容量和高达100的CO₂/N₂选择性，为高性能捕碳材料的工程化应用提供了关键技术方案。
🔍 研究亮点
无黏结剂快速成型：利用SPS技术，数分钟内实现POP粉末到坚固整体的直接转化，攻克传统成型工艺瓶颈。
卓越力学性能：烧结整体抗压强度达85.12 MPa，杨氏模量达378.35 MPa，机械性能远超多数多孔吸附剂块材。
性能智能保留：尽管比表面积下降，但CO₂吸附容量与粉末相当，且CO₂/N₂选择性提升至100，实现力学与功能的平衡。
超强长效稳定：材料经过18个月储存后，CO₂吸附容量仅衰减3.5%，远超原始粉末（衰减22.6%），具备极佳实用前景。
📊 图文解读
图1: MPA-TPA POP的合成与结构
研究以间苯二胺与对苯二醛为单体，通过缩合反应成功合成出同时具有亚胺键和动物键的MPA-TPA POP。红外与固态核磁表征证实了化学键的形成。材料呈现为由300–500 nm纳米球聚集而成的微-介孔复合结构，初始比表面积达470 m² g⁻¹，热稳定性良好。
图2 & 图4: 烧结过程与微观结构演变
SPS工艺示意图（图2）展示了粉末在石墨模具中经温度、压力作用快速成型的流程。
关键发现在于微观结构（图4）：HR-TEM显示，烧结后纳米球界面处的边界消失，呈现连续对比度，同时元素面扫显示C、N、O在界面均匀分布。这直接证实了SPS过程在颗粒间形成了化学键合的“焊接”结构，而非简单的物理压实。
图3 & 图5: 化学机制与力学强化
烧结前后化学结构对比（图3）表明，随着温度升高，残余的胺基与醛基发生进一步缩合，释放水分子，生成更多亚胺键。
正是这种界面上的共价键“焊接”作用（图5），实现了颗粒间的强连接，从而赋予了块体出色的力学性能，其强化机理与SPS制备其他陶瓷块体材料有相似之处。
图6 & 图7: 孔隙与吸附性能的平衡艺术
N₂吸附测试（图6）显示烧结导致测得的比表面积下降，这是因为致密化限制了N₂在分析温度下向微孔的扩散。
然而，材料本征的微孔结构得以保留。正是这些保留的微孔，与材料中的氮、氧等CO₂亲和位点协同作用，使得块体（图7）在0–1 bar下具有与粉末相当的CO₂吸附容量，并表现出更高的选择性和良好的循环稳定性。
图8: 显著提升的老化稳定性
长期储存实验表明，烧结整体的稳定性远超粉末。这是因为界面缩合不仅增强了结构完整性，也消耗了表面易水解的极性基团，提升了材料疏水性，从而有效抵御了环境湿气对结构的破坏。
⚙️ 技术支撑
火花等离子烧结系统：提供快速升温和高压环境，是实现瞬时“焊接”成型的关键设备。
多尺度表征平台：借助SEM、HR-TEM、XPS、原位吸附测试等，全方位解析从化学键合到宏观性能的演变。
力学与吸附性能测试体系：通过压缩测试、气体吸附分析等手段，定量评估材料的综合应用潜能。
💎 总结与展望
本研究通过火花等离子烧结技术，成功解决了多孔有机聚合物难以兼具高强度与高吸附性能的成型难题。其核心创新在于利用SPS的快速热-压场，诱导POP颗粒界面发生共价键“焊接”，在实现强力成型的同时，巧妙地保留了起吸附作用的本征微孔结构。所制备的整体材料力学性能突出、气体选择性高、长期稳定性好，为POPs材料在工业碳捕集、气体分离等领域的实际应用扫清了关键障碍。未来，这一高效的无黏结剂成型策略有望拓展至MOFs、COFs等其他多孔材料体系，推动先进吸附材料从粉末走向实用器件。
文献信息
Rapid Sintering of Porous Organic Polymer Powders Into Mechanically Strong Monoliths for Efficient CO₂ Capture.
Duan Li, Tianhui Shi, Sirui Ran, Lei Zeng, Chao Xu.
Advanced Functional Materials, 2025.
DOI: 10.1002/adfm.202514603
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