低维纳米材料的某一维度的尺寸处于纳米尺度,由于材料的尺寸与电子的相干长度相当,这类材料展现出了各种新奇的物理化学性质。低维介孔纳米材料具有孔径可控、骨架组成可调、形貌多样等结构特征,表现出纳米限域效应、大比表面积等优势,并且可以有效调控气体分子的对流和输运,因此这种材料在隔热、催化等众多领域表现出广阔的应用前景。根据应用需求开发具有特定化学组成和介孔结构的低维纳米材料,有助于提升低维纳米材料的应用潜力,并且对探索低维纳米材料的特殊物理化学性质有重要意义。本论文旨在通过低维纳米材料的介观尺度孔结构设计,调节材料的物理化学性能,实现其在多领域的应用。论文聚焦低维介孔纳米材料,并分析了气体分子在介观孔道结构中的运动情况对相应物理化学性能的影响。由于隔热材料的热导率与气体分子的对流息息相关,而气体的输运过程对于电催化氧还原反应动力学有显著影响,我们以材料的热导率和电催化性能作为指标,评估介观孔道结构对于气体分子对流和输运过程的影响。通过低维固体纳米材料的介观尺度孔道结构设计,我们实现了隔热和电催化氧还原性能的提升,进而为低维纳米材料中介孔结构的合理设计和可控合成提供了新方法与新思路。本文的主要研究内容如下:1、通过原位聚合策略构建了一种介孔多壳空心纳米材料,抑制了气体分子的热对流,在三聚氰胺/酚醛树脂体系中实现了超低热导率。这种新颖的结构具有超过三层的壳层,并在每个壳层上同时集成了介孔,表现出多重气-固界面。得益于边界散射对气体分子对流的抑制,介孔多壳空心树脂纳米球的热导率在298 K时低至0.013 W·m-1·K-1。随着温度升高,该结构的热导率变化很小,没有出现明显的上升,在473 K时仍然可以保持在0.013 W·m-1·K-1,表明在该温度范围内介孔多壳空心纳米结构有效地限制了气体分子的热对流。本工作设计了一种具有精细介观结构的空心纳米球,阐明了介孔结构设计对气体对流的影响,为热绝缘材料的纳米结构基元提供了新的选择。2、利用小尺寸纳米条带构建了一种二维介孔纳米片,将其作为纳米结构基元,通过冷冻铸造法得到了宏观尺度的纯无机隔热泡沫。由于二维介孔纳米片易于堆叠的特征和较大的相互作用面积,冰晶生长过程中的相互作用力可以使其紧密堆叠形成骨架结构,在不需要粘结剂的情况下构建了自支撑的纯无机泡沫。丰富的类细胞状大孔来源于冰晶模板,并与泡沫骨架的介孔组成了多尺度孔道网络,孔隙率可以达到93%。得益于介孔-大孔多尺度孔道结构带来的高孔隙率,这种自支撑泡沫结构在室温的热导率仅为骨架材料的1/7,在600℃的热导率低至0.2 W·m-1·K-1,证明了多尺度孔道网络对气体热对流的有效抑制。本工作构建了一种低维介孔纳米材料作为隔热泡沫的结构砌块,在宏观泡沫结构中实现了对气体热对流的抑制,为低维介孔纳米材料到宏观结构的组装提供了新的思路。3、利用局域富氮环境构建了一种二维多级介孔结构Fe-N-C催化剂,在二维载体上集成了富含介孔的褶皱碳结构,表现出较高的电导率和比表面积。由于三相界面处电荷传递和物质输运的双重优化,促进了氧还原过程中的氧气输运过程,材料在碱性环境下表现出优异的氧还原催化活性和稳定性。二维多级介孔结构Fe-N-C催化剂的半波电位达到0.91 V（相对于标准氢电极）,并且在经过6000次循环后,半波电位只损失了 12 mV。本工作设计了一种具有二维多级介孔结构的催化剂载体,优化了三相界面处的气体输运,为高效电催化剂的设计提供了新的方案。综上所述,本论文发展了介孔多壳空心纳米球、二维介孔纳米片和二维多级介孔纳米结构,通过调控气体分子热对流和催化的输运过程,实现了隔热性能和电催化氧还原性能的提升,进而总结了介孔结构在涉及气体分子运动相关应用领域的作用机制,为低维介孔纳米材料的应用提供了新的思路。在未来的研究中,开发绿色可控合成手段,通过微观尺度的表征明确介孔结构与材料物理化学性能之间的构效关系,将有助于开发更具有应用潜力的低维介孔纳米材料体系。