介孔碳（Mesoporous Carbons, MCs）的骨架由sp²杂化碳原子构成，因此其本征性质与石墨类似。

• 优异的导电性: MCs的石墨化骨架使其具有良好的电导率，是优异的电极材料。
• 高化学与热稳定性: 强大的C-C共价键网络赋予其卓越的化学惰性和高温稳定性。

MCs的独特性质完全来自于其高度规整的介孔结构，这是其与传统活性炭等无定形多孔碳最本质的区别。

• 巨大的比表面积与可控的孔道结构: 这是MCs最核心、最重要的特性。通过模板法合成，MCs具有极高的比表面积（可达 2500 m²/g）、巨大的孔体积（可达 2.5 cm³/g）和高度规整、尺寸均一（2-50 nm可调）的孔道。这使其成为储能、催化和吸附的理想材料。
• 优异的传质性能: 与孔径更小的微孔碳相比，MCs规整、贯通的介孔通道极大地降低了离子和分子的扩散阻力，使得电解液离子或反应物分子能够快速地到达材料的内外表面。这对于需要高倍率性能的超级电容器和催化大分子的反应至关重要。
• 丰富的表面化学: MCs巨大的比表面积为其表面功能化提供了大量位点。

对于介孔碳，其性能调控的核心手段是在其碳骨架中引入杂原子（Heteroatoms），以精细调控其电化学性能。

目标: 将非碳元素（如N, S, P, B）共价地掺入MCs的石墨烯晶格中。

• 氮（N）掺杂: 这是最常用、最有效的掺杂方式。通过使用含氮的碳前驱体（如三聚氰胺）或对MCs进行后处理，可以将N原子以吡啶N、吡咯N、石墨N等多种形式掺入。N掺杂可以：
  • 引入赝电容: N的引入可以在碳材料表面引入法拉第反应活性位点，从而显著提高其赝电容，增加超级电容器的能量密度。
  • 改善浸润性: N的引入可以提高碳材料的表面极性，改善其与水性电解液的浸润性。
  • 引入催化活性: N掺杂的MCs是性能优异的无金属电催化剂，特别是在氧还原反应（ORR）中。
• 硫（S）、磷（P）、硼（B）共掺杂: 两种或多种杂原子的共掺杂，通常可以产生协同效应，进一步优化其电子结构和电化学性能。

介孔碳（MCs）作为一种导电性好、比表面积巨大、化学性质极其稳定的碳材料，在催化领域是一种性能卓越、应用广泛的催化剂载体和无金属催化剂。

将金属或金属氧化物纳米颗粒负载于MCs的孔道内或表面，可以构建出兼具高活性和高稳定性的复合催化剂。

• 高比表面积与高分散: MCs巨大的比表面积和孔体积允许催化活性组分（如Pt, Pd, RuO₂等）以高度分散的状态负载其中，既能最大化活性位点的暴露，又能实现极高的负载量。
• 优异的导电性与稳定性: MCs的石墨化骨架具有优异的导电性，非常适合作为电催化剂的载体。其结构使其具有比活性炭等传统碳载体高得多的抗电化学腐蚀能力，从而极大地提高了催化剂在燃料电池、电解水等苛刻环境中的使用寿命。
• 改善的传质效率: MCs规整、贯通的介孔通道为反应物和产物提供了“高速公路”，极大地降低了传质阻力，这在催化大分子反应或需要高电流密度的电催化中尤为重要。

通过杂原子掺杂，可以赋予MCs本身优异的催化活性。

• 电催化氧还原反应 (ORR): 氮（N）掺杂的介孔碳，是目前性能最优异的无金属ORR电催化剂之一，有望在燃料电池和金属-空气电池中替代昂贵的铂催化剂。

介孔碳（MCs）不适用于光学成像。然而，其优异的导电性、巨大的比表面积和可调的孔径，使其在电化学生物传感和生物分子富集领域具有独特的应用价值。

由介孔碳修饰的电极是构建高灵敏度、高稳定性电化学生物传感器的理想平台。

• 巨大的有效表面积: MCs修饰的电极有效表面积远大于平面的二维电极，因此可以固定更多的生物识别分子（如酶、抗体、DNA），从而显著放大电化学信号，提高传感器的灵敏度。
• 优异的电子传输与传质: MCs本身优异的导电性及其开放的多孔结构，能够同时保证电子信号的快速传递和待测物分子的快速扩散，实现传感器的快速响应。

通过精确调控MCs的孔径和表面化学，可以实现对特定尺寸和性质的生物分子的选择性吸附。

• 原理: 将MCs的孔径设计成与目标生物分子（如蛋白质）的尺寸相匹配，可以利用尺寸排阻效应实现其选择性富集。同时，通过对其表面进行功能化，可以进一步提高其吸附的选择性。

介孔碳（MCs）因其无与伦比的载药能力、优异的生物相容性和独特的光热转换效应，在药物递送和肿瘤治疗领域是研究最深入、最有前途的纳米载体之一。

MCs的巨大孔体积和比表面积使其成为一种理想的药物递送平台。

• 超高载药量: MCs巨大的孔体积和比表面积，使其能够通过物理吸附装载极高量的药物分子（载药率可高达自身重量的数倍），远超其它类型的纳米载体。它特别适合于通过π-π堆积作用，高效负载具有芳香环结构的化疗药物（如阿霉素DOX）。
• 可控释放: 通过在其孔口修饰上对特定刺激（如pH、温度、光）敏感的“门控分子”，可以实现药物的按需、精准释放。

MCs作为一种碳材料，在近红外（NIR）光区具有宽谱的吸收。

• 原理: 当近红外激光照射时，富集在肿瘤部位的MCs吸收光能并高效地将其转化为热量，使肿瘤局部温度快速升高，从而选择性地烧蚀癌细胞。
• 优势: 相比于贵金属等光热剂，MCs具有成本低、生物相容性好、载药能力强的优点，是构建光热-化疗协同治疗平台的理想选择。

介孔碳（MCs）作为一种全碳纳米材料，普遍被认为具有良好的生物相容性和低细胞毒性。

• “绿色”的元素组成: MCs主要由生物体中最丰富的碳元素组成，从根本上避免了重金属离子泄漏带来的严重细胞毒性问题。
• 化学惰性: MCs的石墨化骨架化学性质非常稳定，在生理环境中不易发生反应。

尽管MCs总体上是安全的，但其生物安全性仍需根据具体情况进行评估。

• 前驱体与纯化: 其合成过程中使用的硬模板（通常是介孔二氧化硅）必须被完全去除。残留的二氧化硅或用于去除二氧化硅的强酸/强碱（HF, NaOH）可能会带来毒性。因此，充分的纯化是保证其生物安全性的关键。
• 生物持久性: MCs的骨架极其稳定，在体内是不可生物降解的。其长期在体内的命运、分布和潜在的蓄积毒性，是其走向临床应用前必须解决的关键问题。

高质量、结构规整的介孔碳的合成，几乎完全依赖于一种精巧的模板复制策略——纳米浇铸法（Nanocasting）。

这是制备有序介孔碳最核心、最经典的方法。

• 原理:
  1. 硬模板制备: 首先，通过溶胶-凝胶法，合成出具有规整介孔结构的介孔二氧化硅或其它无机氧化物作为“硬模板”（模具）。最常用的模板包括SBA-15（二维六方）、MCM-48（三维立方）、KIT-6（三维立方）等。
  2. 碳前驱体浸渍: 将一种可碳化的有机物（如蔗糖、糠醇、酚醛树脂）的溶液，通过浸渍或化学气相沉积的方法，填充到介孔二氧化硅模板的孔道中。
  3. 原位碳化: 在高温（通常600-1000 °C）、惰性气氛下对复合材料进行热处理，使孔道内的有机物原位碳化，形成一个连续的碳骨架。
  4. 模板去除: 最后，用氢氟酸（HF）或热的浓氢氧化钠（NaOH）溶液，将作为“模具”的二氧化硅模板完全溶解、刻蚀掉。
• 产物: 最终得到的介孔碳，其孔道结构是所用二氧化硅模板的完美负相复制品（inverse replica）。例如，使用具有棒状孔道的SBA-15为模板，最终得到的是由相互连接的碳纳米棒构成的、代号为CMK-3的有序介孔碳。

对介孔碳（MCs）的精确表征是确认其规整介孔结构和评估其性能的关键。对其孔结构的分析至关重要。

• 介孔有序性: 小角X射线散射 (SAXS) 是鉴定介孔结构长程有序性的金标准。有序的介孔结构会像晶体一样对X射线产生衍射，SAXS谱图上出现的尖锐衍射峰是介孔结构高度有序的直接证据，并可用于计算孔道的排列方式和晶胞参数。
• 形貌与孔道可视化: 透射电子显微镜 (TEM)。TEM是观测MCs最直观的工具，可以直接看到其内部高度有序的介孔孔道阵列。

• 比表面积、孔容和孔径分布: 氮气吸附-脱附等温线。这是表征多孔材料最核心的技术。
  • 等温线类型: MCs通常表现出典型的IV型等温线，并伴随一个明显的H1型滞后环，这是具有均一圆柱形孔道的材料的标志性特征。
  • 关键参数: 通过BET模型计算材料的总比表面积；通过BJH或DFT模型分析吸脱附曲线，可以精确计算出材料的平均孔径、孔径分布和总孔体积。这些是评估其储能、催化和吸附性能的核心数据。

• 拉曼光谱 (Raman): 用于表征碳骨架的石墨化程度。通过计算D峰与G峰的强度比（Iᴅ/Iɢ），可以评估其缺陷密度。

介孔碳的表面工程是其实现高级应用的关键，其核心是引入功能性基团和调控表面化学态。

这是在MCs表面引入稳定官能团的最常用方法。

• 表面氧化: 通过强氧化剂（如浓硝酸、高锰酸钾）处理，可以在MCs的表面（主要是缺陷位点）引入大量的羧基（-COOH）和羟基（-OH）。这些含氧官能团不仅可以极大地提高其在水中的分散性和与电解液的浸润性，而且可以作为“化学手柄”，用于后续的共价偶联反应。

如前所述，通过在合成过程中或合成后引入氮（N）、硫（S）、磷（P）等杂原子，是调控其电子结构和电化学性能的最有效策略。

利用MCs的规整孔道，可以精确地在其内部构筑功能性复合材料。

• 孔道内生长: 将金属或金属氧化物的前驱体溶液浸渍到MCs的孔道中，然后通过原位还原或热处理，可以在其孔道内部精确地生长出尺寸受限的金属/金属氧化物纳米线或纳米颗粒。这种方法可以获得分散性极佳、稳定性极高的复合催化剂或电极材料。