磁响应性Janus型Au/SiO2复合多孔微球的制备及其界面催化性能研究

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液-液两相界面催化广泛应用于各种催化体系中,但反应体系的“不互溶”使其存在高的传质阻力,常常需要通过加入表面活性剂或剧烈搅拌来提高反应物的接触面积从而提高反应效率。但是,高速搅拌不仅消耗巨大的能量,而且仍然是一种不充分的界面接触,传质和传热也因此受到一定的限制;同时,表面活性剂的加入使产物的分离和纯化更加困难,而且很难实现催化剂的高效循环利用。Pickering界面催化作为实现绿色化学的一种重要策略,乳液的形成将极大提升不互溶两相的接触面积,可以在无溶剂,无搅拌条件下实现高的催化效率,有效解决液-液相界面催化中遇到的上述问题,因此在燃料油的精制、精细化学品制备、乳液聚合等方面有着广泛的应用。此外,Pickering界面催化体系中还有一个显著优点,即可通过体系筛选,利用物质溶解度的不同从而发生相转移最终可以实现产物的转移与纯化,在一个反应体系中可以实现多步化学反应,即所谓的级联反应。Pickering界面催化具有可有效增大反应界面、提高反应效率、催化剂可原位分离回收再利用等优点,作为一种绿色、高效、低能耗的催化方式而受到人们的广泛关注。Pickering界面催化体系中,形成Pickering乳液的固体颗粒稳定剂是最关键的,包括Janus型颗粒和均一型颗粒两种类型,Janus型固体颗粒相比均一型固体颗粒而言,有着更高的界面吸附能,因此Janus颗粒有着更优异的界面活性,可形成高稳定性和优良热力学性能的Pickering乳液。故而,制备一种易于回收、高效担载催化组分、可形成稳定Pickering乳液的固体颗粒稳定剂具有非常重要的意义,也存在很大的挑战。基于上述考虑,本学位论文从实验室一直研究的多级孔SiO2微球的可控制备入手,设计并制备了磁响应性Janus型Au/SiO2复合多孔微球,由该颗粒形成的Pickering乳液有着很高的机械稳定性和热稳定性,制备所得Pickering乳液可实现有效的界面催化。具体来讲,主要开展了以下两个方面的工作:第一部分工作中设计并制备了磁响应性Janus型Au/SiO2复合多孔微球。本工作在实验室制备得到的多级孔SiO2的基础上,利用多相乳液的方法一步制得了磁响应性多级孔SiO2微球,进而利用氨基对金属纳米颗粒的捕获作用,实现了在SiO2微球多级孔道内Au纳米颗粒(NPs)的成功担载,再通过一系列的双亲修饰,最终得到了磁响应性Janus型Au/SiO2复合多孔微球。扫描电镜测试表明,所制备的SiO2复合微球的整体结构和孔道结构都保持良好,具有高稳定性。与此同时,我们通过TEM、XRD、XPS、AAS、接触角、N2吸附、磁响应性表征充分说明磁响应性Janus型Au/SiO2复合多孔微球已得到成功制备。该微球将可同时作为乳化剂和催化剂实现Pickering乳液的稳定及界面催化反应。第二部分工作重点研究了由磁响应性Janus型Au/SiO2复合多孔微球稳定的Pickering乳液的形成及其Pickering乳液的界面催化性能。我们首先以该微球为稳定剂,选取不同的有机溶剂(苯、甲苯、对二甲苯、乙苯、苯甲醇、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷和十氢萘)作为油相,考察了该微球的界面活性,发现该双亲微球可与不同有机相形成高机械稳定性的Pickering乳液。其次,我们选取了十二醛和乙二醇的反应作为模型反应,研究了 Janus型多孔SiO2微球作为乳化剂和催化剂在Pickering乳液体系中的界面催化性能。实验结果表明,Janus型多孔SiO2微球上的磺酸基团作为活性位点,对十二醛和乙二醇的反应有一定的催化作用。同时,我们还利用该微球上磺酸基团的活性在乳液界面实现了果糖的脱水降解反应。最后,利用Au纳米颗粒的催化活性,研究了磁响应性Janus型Au/SiO2复合多孔微球作为稳定剂和催化剂在Pickering乳液体系中对苯甲醇的催化氧化。研究表明,当氧化剂为30%的过氧化氢水溶液,磁响应性Janus型Au/SiO2复合多孔微球在无溶剂Pickering界面催化中具有一定的催化能力。
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