Macroscopic Porous Single-crystalline Materials

doi:10.7503/cjcu20260187

Abstract

Abstract:

Porous materials and single crystals both hold significant application value in modern science and technology. Introducing porosity into macroscopic single crystals offers a promising route to a new class of materials that combine an open porous architecture with a continuous single-crystalline skeleton， namely macroscopic porous single crystal（PSC）. In PSC， the continuous single-crystalline skeleton maintains long-range crystallographic order and effectively reduces grain-boundary effects on transport processes and structural stability， while the porous architecture provides mass-transport channels and accessible internal surfaces. However， conventional crystal growth processes generally tend toward densification， and pores are usually regarded as inclusions or defects. Therefore， the controllable introduction of porous structures into single crystals remains a fundamental challenge. This review focuses on lattice reconstruction strategies driven by solid-solid phase transformations. We discuss the basic mechanism by which a high-density single-crystalline mother phase is transformed in situ into a low-density target single-crystalline skeleton through selective component removal， lattice rearrangement， and phase-boundary migration， accompanied by pore formation. Using typical oxide systems such as TiO₂ and CeO₂ as examples， we further analyze how the crystallographic orientation， composition， relative density variation， and heat-treatment conditions of the mother phase regulate the facet orientation， porosity， pore size， and surface structure of the resulting PSC. Finally， with photoelectrochemical energy conversion as a representative application， we discuss the synergistic effects of the continuous single-crystalline skeleton， three-dimensionally interconnected pore channels， and tunable defect structures. We also outline future opportunities for these materials in structure-sensitive functional processes， including electron-phonon transport decoupling and isotope separation.

Key words: Porous single-crystalline material, Single-crystalline structure, Porous architecture, Solid-solid phase transformation

CLC Number:

O614

TrendMD:

LIU Shaofang, XIE Kui. Macroscopic Porous Single-crystalline Materials[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(9): 20260187.

Figures/Tables 9

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Method	Typical route	Advantage	Limitation	Retention of single-crystalline skeleton	Formation of 3D interconnected pore
Liquid-solid/gas-solid single-crystal growth	Melt， solution， and vapor growth	High-quality dense single crystal	Difficult to introduce internal interconnected pores	Relatively easy	Relatively difficult
Conventional porous-material fabrication	Templating， sintering， and phase separation	High porosity and specific surface area	Skeletons are typically polycrystalline， nanocrystalline， or amorphous	Relatively difficult	Relatively easy
Post-etching of single crystals	Chemical and electrochemical etching	Surface roughening and pore formation	Limited pore penetration； possible lattice damage	Partially retained	Limited
Solid-solid transformation-driven lattice reconstruction	KTP⁃TiO₂， CeBr₃/CePO₄⁃CeO₂ etc.	Coupled phase transformation， pore formation， and orientation inheritance	Depends on precursor design， transformation kinetics， and lattice matching	Relatively easy	Relatively easy

Method	Typical route	Advantage	Limitation	Retention of single-crystalline skeleton	Formation of 3D interconnected pore
Liquid-solid/gas-solid single-crystal growth	Melt， solution， and vapor growth	High-quality dense single crystal	Difficult to introduce internal interconnected pores	Relatively easy	Relatively difficult
Conventional porous-material fabrication	Templating， sintering， and phase separation	High porosity and specific surface area	Skeletons are typically polycrystalline， nanocrystalline， or amorphous	Relatively difficult	Relatively easy
Post-etching of single crystals	Chemical and electrochemical etching	Surface roughening and pore formation	Limited pore penetration； possible lattice damage	Partially retained	Limited
Solid-solid transformation-driven lattice reconstruction	KTP⁃TiO₂， CeBr₃/CePO₄⁃CeO₂ etc.	Coupled phase transformation， pore formation， and orientation inheritance	Depends on precursor design， transformation kinetics， and lattice matching	Relatively easy	Relatively easy