嵌有金、鉑納米粒子的聚合物泡沫薄膜的制備及其催化性能研究.pdf

1、貴金屬納米粒子具有獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)和催化性質(zhì),在諸多方面有潛在的應(yīng)用前景。近年來貴金屬納米粒子的制備、納米結(jié)構(gòu)的組裝以及結(jié)構(gòu)與性能的表征等諸多方面的研究得到了越來越多的關(guān)注。聚合物微膠囊以及納米膠囊由于其較大的表面積、良好的滲透性和機(jī)械性質(zhì),在眾多領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景,因此也倍受關(guān)注。我們采用了一種簡便的方法,通過液/液界面上金屬離子的還原和聚合物分子的自組裝,在室溫下制備了嵌有貴金屬納米粒子的聚合物聚(2-乙烯基吡啶)(P2VP)微膠

2、囊以及由微膠囊結(jié)合而成的固體泡沫薄膜。貴金屬納米粒子均勻分散于微膠囊和固體泡沫薄膜壁上,粒徑小于4nm。研究表明,這一納米復(fù)合結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的催化活性。
　　 一、室溫下,通過AuCl4-離子的還原和聚合物的自組裝,在P2VP氯仿溶液與氯金酸水溶液形成的界面上生成了嵌有金納米粒子的聚合物微膠囊以及固體泡沫薄膜。我們發(fā)現(xiàn),在液/液界面上形成的這一復(fù)合納米結(jié)構(gòu)可以進(jìn)入到水相并被吸附到氣/液界面上。我們通過透射電子顯微鏡(TEM)、高分

3、辨透射電子顯微鏡(HRTEM)、原子力顯微鏡(AFM)、X-射線光電子能譜(XPS)、電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜(ICP-AES)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR-spectroscopy),紫外.可見光譜(UV-visible spectroscopy)以及光致熒光光譜(Photoluminescencespectroscopy)等手段對所形成的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的形貌、結(jié)構(gòu)、成份以及光學(xué)性質(zhì)分別進(jìn)行了表征。結(jié)果表明,P2VP氯仿溶液的濃

4、度和氯金酸水溶液的濃度對形成的微膠囊的尺寸有一定影響;金納米粒子均勻嵌入或者吸附在微膠囊和固體泡沫囊壁內(nèi)或囊壁上,平均粒徑為2.1nm;金納米粒子由大約75％的Au原子和25％的AuCl4-離子組成,復(fù)合納米結(jié)構(gòu)中金元素的質(zhì)量百分比為19.65％。復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的形成是液/液界面上聚合物分子的自組裝和AuCl4-被氯仿中含有的微量乙醇同時還原的結(jié)果。為了進(jìn)一步使復(fù)合結(jié)構(gòu)中的金屬離子還原并使聚合物分子交聯(lián)以提高其穩(wěn)定性,對沉積在固體基底上的

5、復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了紫外光照射處理。紫外光照射后,金納米粒子平均粒徑為2.2nm,且全部由Au原子組成。這一復(fù)合納米結(jié)構(gòu)在硼氫化鉀對4-硝基苯酚的還原體系中具有較強(qiáng)的催化活性。研究發(fā)現(xiàn),該反應(yīng)的表觀速率常數(shù)隨著催化劑使用次數(shù)的增加而降低,至使用四至五次后不再變化。TEM觀察發(fā)現(xiàn),催化劑催化效率降低的原因是反應(yīng)過程中金納米粒子的聚集所致。金粒子的平均粒徑達(dá)到了4.1nm,且有粒徑超過10nm的粒子形成。但這種復(fù)合結(jié)構(gòu)仍可作為一種可重復(fù)使用的、有

6、效地催化劑。
　　 二、室溫下,通過聚合物分子的自組裝以及聚合物分子與金屬配離子間的相互作用,在P2VP氯仿溶液與氯鉑酸水溶液形成的液/液界面上生成了嵌有PtCl62-和PtCl42-配離子的聚合物微膠囊以及固體泡沫薄膜。在液/液界面上形成的這一復(fù)合納米結(jié)構(gòu)可以進(jìn)入到水相并被吸附在氣/液界面上。TEM及HRTEM的觀察表明,在液/液界面上形成的微膠囊以及固體泡沫薄膜壁內(nèi)及壁上沒有鉑納米粒子。但I(xiàn)CP-AES結(jié)果表明,復(fù)合納米結(jié)構(gòu)

7、中含有17％的鉑元素。XPS分析發(fā)現(xiàn),復(fù)合納米結(jié)構(gòu)中所含有的鉑元素為pt2+和Pt4+離子。Pt2+離子的生成是Pt4+離子被微量的乙醇還原的結(jié)果。復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的形成是液/液界面上聚合物分子的自組裝和氯仿溶液中含有的微量乙醇將氯鉑酸水溶液中PtCl62-離子還原為中間態(tài)的PtCl42-離子以及這兩種離子在聚合物上吸附的結(jié)果。為了進(jìn)一步還原金屬配離子為金屬原子并增強(qiáng)納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,對沉積在固體基底上的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了紫外光照射處理。處

8、理后的結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了平均粒徑為2.7nm的鉑粒子。XPS研究表明,這種鉑粒子由Pt原子及兩種配離子組成。這一復(fù)合納米結(jié)構(gòu)薄膜在硼氫化鉀對MB(亞甲基藍(lán))的還體系中具有較強(qiáng)的催化活性。研究表明,催化反應(yīng)的表觀速率常數(shù)隨著催化劑使用次數(shù)的增加而降低,達(dá)第三次后趨于穩(wěn)定。對使用后的催化劑進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,催化效率的降低是Pt粒子逐漸滲出所致。但使用一定次數(shù)后表觀速率常數(shù)趨于穩(wěn)定,說明該復(fù)合體系可以作為一種可重復(fù)使用的有效地催化劑。增強(qiáng)催化劑