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嵌有金、铂纳米粒子的聚合物泡沫薄膜的制备及其催化性能研究

作　者: 陈兰君
导　师: 刘洪国
学　校: 山东大学
专　业: 胶体与界面化学
关键词: 聚合物金纳米粒子铂纳米粒子液/液界面自组装微胶囊固体泡沫催化
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

贵金属纳米粒子具有独特的光学、电学和催化性质,在诸多方面有潜在的应用前景。近年来贵金属纳米粒子的制备、纳米结构的组装以及结构与性能的表征等诸多方面的研究得到了越来越多的关注。聚合物微胶囊以及纳米胶囊由于其较大的表面积、良好的渗透性和机械性质,在众多领域有潜在的应用前景,因此也倍受关注。我们采用了一种简便的方法,通过液/液界面上金属离子的还原和聚合物分子的自组装,在室温下制备了嵌有贵金属纳米粒子的聚合物聚(2-乙烯基吡啶)(P2VP)微胶囊以及由微胶囊结合而成的固体泡沫薄膜。贵金属纳米粒子均匀分散于微胶囊和固体泡沫薄膜壁上,粒径小于4 nm。研究表明,这一纳米复合结构具有较强的催化活性。一、室温下,通过AuCl4-离子的还原和聚合物的自组装,在P2VP氯仿溶液与氯金酸水溶液形成的界面上生成了嵌有金纳米粒子的聚合物微胶囊以及固体泡沫薄膜。我们发现,在液/液界面上形成的这一复合纳米结构可以进入到水相并被吸附到气/液界面上。我们通过透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、原子力显微镜(AFM)、X-射线光电子能谱(XPS)、电感耦合等离子体-原子发射光谱(ICP-AES)、傅里叶变换红外光谱(FTIR-spectroscopy),紫外-可见光谱(UV-visible spectroscopy)以及光致荧光光谱(Photoluminescence spectroscopy)等手段对所形成的复合纳米结构的形貌、结构、成份以及光学性质分别进行了表征。结果表明,P2VP氯仿溶液的浓度和氯金酸水溶液的浓度对形成的微胶囊的尺寸有一定影响；金纳米粒子均匀嵌入或者吸附在微胶囊和固体泡沫囊壁内或囊壁上,平均粒径为2.1 nm；金纳米粒子由大约75%的Au原子和25%的AuCl4-离子组成,复合纳米结构中金元素的质量百分比为19.65%。复合纳米结构的形成是液/液界面上聚合物分子的自组装和AuCl4-被氯仿中含有的微量乙醇同时还原的结果。为了进一步使复合结构中的金属离子还原并使聚合物分子交联以提高其稳定性,对沉积在固体基底上的复合结构进行了紫外光照射处理。紫外光照射后,金纳米粒子平均粒径为2.2 nm,且全部由Au原子组成。这一复合纳米结构在硼氢化钾对4-硝基苯酚的还原体系中具有较强的催化活性。研究发现,该反应的表观速率常数随着催化剂使用次数的增加而降低,至使用四至五次后不再变化。TEM观察发现,催化剂催化效率降低的原因是反应过程中金纳米粒子的聚集所致。金粒子的平均粒径达到了4.1 nm,且有粒径超过10 nm的粒子形成。但这种复合结构仍可作为一种可重复使用的、有效地催化剂。二、室温下,通过聚合物分子的自组装以及聚合物分子与金属配离子间的相互作用,在P2VP氯仿溶液与氯铂酸水溶液形成的液/液界面上生成了嵌有PtCl62-和PtCl42-配离子的聚合物微胶囊以及固体泡沫薄膜。在液/液界面上形成的这一复合纳米结构可以进入到水相并被吸附在气/液界面上。TEM及HRTEM的观察表明,在液/液界面上形成的微胶囊以及固体泡沫薄膜壁内及壁上没有铂纳米粒子。但ICP-AES结果表明,复合纳米结构中含有17%的铂元素。XPS分析发现,复合纳米结构中所含有的铂元素为Pt2+和Pt4+离子。Pt2+离子的生成是Pt4+离子被微量的乙醇还原的结果。复合纳米结构的形成是液/液界面上聚合物分子的自组装和氯仿溶液中含有的微量乙醇将氯铂酸水溶液中PtCl62-离子还原为中间态的PtCl42-离子以及这两种离子在聚合物上吸附的结果。为了进一步还原金属配离子为金属原子并增强纳米结构的稳定性,对沉积在固体基底上的复合纳米结构进行了紫外光照射处理。处理后的结构中出现了平均粒径为2.7 nm的铂粒子。XPS研究表明,这种铂粒子由Pt原子及两种配离子组成。这一复合纳米结构薄膜在硼氢化钾对MB(亚甲基蓝)的还体系中具有较强的催化活性。研究表明,催化反应的表观速率常数随着催化剂使用次数的增加而降低,达第三次后趋于稳定。对使用后的催化剂进行了分析,结果表明,催化效率的降低是Pt粒子逐渐渗出所致。但使用一定次数后表观速率常数趋于稳定,说明该复合体系可以作为一种可重复使用的有效地催化剂。增强催化剂稳定性的研究在进行中。

全文目录

摘要  8-10
Abstract  10-13
第一章前言  13-29
  第一节纳米材料简介  13-15
    一.纳米材料定义  13-14
    二.纳米材料的特性  14-15
  第二节纳米材料与胶体与界面化学  15-16
  第三节金属纳米粒子催化性质研究进展  16-17
  第四节聚合物/金属纳米粒子的复合结构  17-18
  第五节金纳米粒子嵌入微胶囊的研究  18-19
  第六节本论文的研究目的和内容  19-20
  参考文献  20-29
第二章实验部分  29-32
  第一节试剂  29-30
  第二节实验仪器  30
  第三节实验方法  30-32
第三章嵌有金纳米粒子的聚合物P2VP微胶囊和固体泡沫薄膜的制备及其性质研究  32-55
  第一节液/液界面上形成的聚合物P2VP微胶囊以及固体泡沫薄膜  33-42
    一.形貌分析  33
    二.组分分析  33-36
    三.光学性质分析  36-39
    四.形成机理探讨  39-42
  第二节紫外光处理后的复合结构  42-44
  第三节嵌有金纳米粒子的聚合物微胶囊和固体泡沫薄膜的催化性质研究  44-50
  第四节小结  50-51
  参考文献  51-55
第四章嵌有铂纳米粒子的聚合物P2VP微胶囊及其固体泡沫薄膜的制备及其性质研究  55-75
  第一节液/液界面上形成的聚合物P2VP微胶囊以及固体泡沫薄膜  55-57
  第二节紫外光处理后的聚合物P2VP微胶囊以及固体泡沫薄膜  57-61
  第三节聚合物P2VP微胶囊以及固体泡沫薄膜的形成机制  61-63
  第四节嵌有铂纳米粒子的聚合物微胶囊和固体泡沫薄膜的催化性质研究  63-70
  第五节小结  70-71
  参考文献  71-75
第五章结论  75-76
致谢  76-77
攻读硕士研究生期间发表论文  77-78
学位论文评阅及答辩情况表  78

嵌有金、铂纳米粒子的聚合物泡沫薄膜的制备及其催化性能研究

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