昆明学院杨烨鹏、陶娆Coordination Chemistry Reviews：超声化学制备功能材料及应用

超声化学：材料科学与工程应用

通讯作者：陶娆*，王宝玲*，杨烨鹏*

单位：昆明学院

超声是一种频率高于20 kHz的机械波，在液体中传播时能够引发独特的声空化现象。利用声空化效应，可以在溶液里瞬间产生高速微射流、高温、高压等极端条件，从而打破传统反应的热力学和动力学限制，在材料制备领域备受关注。首先，声化学技术合成材料可以减少甚至避免使用有机溶剂，符合绿色化学原则；其次，超声技术引发的局域高温高压不仅有助于精确控制材料的组成结构和物理形貌，还能在晶体结构中引入独特的缺陷，从而显著提高材料性能；此外，通过超声振动加速原料均匀混合，加速材料制备过程，有利于实现功能材料的高通量制备。近年来，超声化学技术已广泛应用于无机材料、有机材料、碳材料、复合材料的高效制备。

由于空化效应，超声波在介质中的传播能够产生局部高温高压，从而促进分子裂解、加速电荷转移，实现材料的快速构建，在功能材料的可控合成中受到了广泛关注。基于此，昆明学院杨烨鹏、陶娆团队在Coordination Chemistry Reviews上发表了题为：“Sonochemistry: Materials science and engineering applications” 的综述论文。文章重点阐述了超声化学在材料合成中的物理和化学效应，包括声-压、声-机械、声-热、声-自由基，并全面总结了超声化学技术合成的功能材料在催化、能源转化、环境治理、生物医学等领域的应用进展。最后，文章深入讨论了超声化学合成材料及其应用所面临的挑战，并对其未来发展方向进行了展望。

图1 超声化学技术合成功能材料及其应用

要点一：超声化学的基本原理及其效应

超声波在液体中传播时，会产生交替分布的正负压力区域。负压作用使液体中的气体或微小气泡膨胀，正压作用使气泡收缩。在正负压力的交替作用下，当气泡收缩至临界尺寸时，内部压力急剧升高，瞬间产生局部高温（≥ 5000 K）和高压（≥ 1000 atm），并在快速破裂时释放巨大能量，形成高速微射流。该过程产生的极端条件能够加速化学反应。同时，超声波的机械振动作用可增强反应物和产物的扩散与传输，促进反应的均匀进行。此外，声-压、声-机械、声-热等多重效应相互协同，共同作用于材料的合成过程。

图2 声空化过程中气泡的形成、生长和破裂

要点二：超声化学技术可控制备功能材料

超声化学技术在控制材料合成方面具有重要应用，能够显著加速材料的合成、调控材料的形貌和尺寸、控制材料的晶相、构建复合材料等。通过调节超声的功率、频率、时间、溶剂和原料等，可以有效控制材料的合成过程。具体包括：（1）提高合成反应速率：超声化学能够显著提高沸石分子筛、金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）等材料的合成反应速率，缩短反应时间，降低能耗；（2）精确调控材料形态和尺寸：超声化学可精确调控Fe₂O₃、Sm₂CuO₄、BiVO₄等材料的微观结构，使其呈现出多样化的形态和尺寸；（3）促进特定晶相的形成与转变：超声化学能有效提高材料的结晶度，促进BiFeO₃、Cu₃Se₂、CdS等材料特定晶相的形成与转变，进而改善材料的稳定性和应用性能；（4）构建复合材料：超声化学能够实现多种材料的有效结合，提升复合材料的整体性能。

图3 超声技术在功能材料合成中的应用

要点三：超声化学合成材料的应用

要点四：总结与展望

（1）机理研究：需要对超声化学的机理进行更准确、系统的研究。超声波的频率、强度、作用时间和溶剂等条件对材料合成的微妙影响值得深入探索，亟需开发先进的表征技术来分析材料合成的中间过程。

（2）普适性和稳定性：超声化学在不同材料体系中的普适性和稳定性有待进一步验证，可通过建立更精确的理论模型以指导实验设计和优化。

（3）能耗与可持续性：需对超声设备的能耗和可持续性进行全面评估，综合评价操作参数和反应器配置对超声化学过程的影响，以确保其在工业应用中的可行性和经济性。

图4 声化学在材料科学和工程应用中的前景与挑战

https://doi.org/10.1016/j.ccr.2024.216373

陶娆：昆明学院硕士生导师。2022年6月博士毕业于云南大学，同年9月入职昆明学院，主要研究方向为有机多孔材料的能源与环境应用与开发。以第一/通讯作者在Coordination Chemistry Reviews、Journal of Catalysis、Journal of Materials Science & Technolog、 Ultrasonics Sonochemistry 、Small等国际期刊上发表论文近20篇。

杨烨鹏：昆明学院讲师，昆明市中青年学术和技术后备人才，2023年毕业于云南大学物理化学专业。主要从事有机多孔材料设计、合成及其在太阳能转化与利用方面研究，以第一作者/通讯作者发表SCI论文9篇。

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