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中空微/纳米球包封纳米粒子的合成策略及其催化应用研究

何至伟  
【摘要】:中空微/纳米结构,作为新型的一类微/纳米材料,因其中空形态而得名。得益于其特殊的中空结构,该类材料被赋予了一些优异的特性,如大的比表面积,低密度和高的承载能力以及它的结构成分的可调整性。二十一世纪以来研究界已经迅速认识到这种独特的中空结构材料具有广阔的发展前景,使之受到了广泛的关注。各种材质的中空微/纳米材料也相继被研究报道出来并且展现出了多种应用。随着科技的发展导致各种资源材料的逐渐匮乏和生态环境的逐步破坏,绿色可持续发展观念变得至关重要。然而,如何将中空微/纳米结构材料更好地利用到绿色化学催化领域仍然是一个艰巨且富有挑战性的课题。本文共分为三章,第一章为绪论,主要介绍了中空微/纳米结构材料的分类,合成方法及其应用,以及杂多酸和有机-无机杂化钙钛矿的相关背景。第二章介绍了通过“瓶装船”的方法成功地将分子尺寸相较于材料微孔尺寸较大的杂多酸包封在中空微孔聚合物纳米球的内部空腔,用于实现可持续的酯化催化纳米反应器。具体以一锅法得到的二嵌段共聚物聚丙交酯-b-聚苯乙烯(PLA-b-PS)为前驱体,然后基于傅克烷基化的超交联自组装形成中空微孔聚合物纳米球,最后通过瓶装船法将磷钨酸分子包封在其内部得到了包封了磷钨酸的中空微孔聚合物纳米球(HPW@H-MPNs)。通过FT-IR、XRD、XPS、ICP、TEM、BET等表征手段表征了H-MPNs与HPW@H-MPNs的结构与性质,分析结果表明负载磷钨酸这一过程对中空球形貌几乎没有破坏作用并且磷钨酸分子在中空空腔内部分布均匀。探针反应选择乙酸和正丁醇的酯化反应,结果证明了HPW@H-MPNs具有良好的催化活性,且在15个催化循环后,乙酸的转化率在反应4h后仍能够维持在85%以上,这强有力地证明了合成的催化剂具有出色的可持续循环利用性。此外本章还对HPW@H-MPNs进行了酯化反应普适性的催化测试,结果也表明了其具有良好的催化酯化反应普适性。第三章介绍了通过“溶剂-成核”的方法将分子尺寸相较于材料微孔尺寸较大的有机-无机杂化钙钛矿成功地包封在中空微孔聚合物纳米球的空腔内部,得到了用于光催化降解染料的纳米反应器。具体与第二章类似,PLA-b-PS基于肖尔反应的超交联自组装形成了中空微孔聚合物纳米球,然后通过溶剂-成核的方法将甲基氨基溴化铅钙钛矿分子(MAPb Br_3)包封在其内部得到了包封了甲基氨基溴化铅的中空微孔聚合物纳米球(MAPb Br_3@H-MPNs)。通过XRD、XPS、TEM、BET等表征手段表征了MAPb Br_3@H-MPNs的结构与性质,分析结果表明钙钛矿分子的成功包封且最终材料具有良好的核壳或蛋黄-蛋壳结构。光催化降解甲基橙(MO)的反应结果显示出该材料具有良好的降解效果,且在4次催化循环后仍具有一定的降解能力。这说明了合成的催化剂在一定程度上对不稳定的MAPb Br_3进行了有效保护。


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