三维有序金掺杂纳米TiO2修饰电极用于抗肿瘤药物与DNA相互作用的研究

利用模板法在氧化铟锡(ITO)电极表面制备了三维有序多孔结构的金掺杂纳米TiO2薄膜修饰电极(3DOMGTD/ITO),并在此修饰电极上成功固定小牛胸腺DNA(ctDNA),从而构建了一种新型的DNA生物传感器(DNA/3DOMGTD/ITO),并通过透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)对修饰电极的表面形貌进行表征。采用电化学交流阻抗(EIS)法研究了ctDNA在3DOMGTD/ITO修饰电极表面的固定情况,结果表明,ctDNA已被成功地固定在3DOMGTD/ITO修饰电极表面。采用循环伏安法、微分脉冲伏安法等电化学方法研究了抗肿瘤药物槲皮素(Qu)在3DOMGTD/ITO修饰电极表面的电化学性质及与ctDNA的相互作用。结果表明,Qu在3DOMGTD/ITO修饰电极表面有1对准可逆的氧化还原峰,其氧化还原反应为2电子和2质子的转移过程。Qu可与固定在修饰电极上的ctDNA发生较强的结合作用,其结合常数(K)为3.61×106L/mol。循环伏安实验、紫外-可见吸收光谱、分子荧光光谱、圆二色性光谱均表明Qu与ctDNA之间的相互作用模式为嵌插作用。Qu与ctDNA的碱基结合具有序列选择性,对Qu与聚(dG-dC)及聚(dA-dT)的结合常数进行计算,得到结合常数比K(dG-dC)/K(dA-dT)=3.5,表明Qu与ctDNA发生嵌插作用时更倾向于结合在GC富集区域。     

Subnanomolar detection limit application of ion-selective electrodes with three-dimensionally ordered macroporous (3DOM) carbon solid contacts

Solid-contact ion-selective electrodes (SC-ISEs) can exhibit very low detection limits and, in contrast to conventional ISEs, do not require an optimization of the inner filling solution. This work shows that subnanomolar detection limits can also be achieved with SC-ISEs with three-dimensionally ordered macroporous (3DOM) carbon contacts, which have been shown recently to exhibit excellent long-term stabilities and good resistance to the interferences from oxygen and light. The detection limit of 3DOM carbon-contacted electrodes with plasticized poly-(vinyl chloride) as membrane matrix can be improved with a high polymer content of the sensing membrane, a large ratio of ionophore and ionic sites, and conditioning with a low concentration of analyte ions. This permits detection limits as low as 1.6 × 10⁻⁷ M for K⁺ and 4.0 × 10⁻¹¹ M for Ag⁺.     

红荧烯反蛋白石的制备及其光学性质研究

通过表面浸润法制备了红荧烯的反蛋白石结构,成功观测到其结构色,并检测出相对应反射光谱.此类方法可进一步拓展制备多种具有三维有序大孔结构的有机半导体材料,得到新的光电性质.     

Preparation and characterization of three-dimensionally ordered macroporous yttria-stabilized zirconia by aqueous organic gel route

Three-dimensionally ordered macroporous (3-DOM) yttria-stabilized zirconia (YSZ) was prepared by aqueous organic gel method through the interstitial spaces between polystyrene spheres assembled on glass substrates. The morphologies and pore size of the porous YSZ were characterized by scanning electron microscope (SEM) and nitrogen adsorption. The thermal behavior, the phase and chemical composition of PS/YSZ composite were investigated by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The results show that porous YSZ has been formed with the pores arranged in an ordered close-packed three-dimensional structure. Ni/YSZ cermet was also prepared by immersing the 3-DOM YSZ into the solution of nickel nitrate and urea. The electrical conductivity of Ni/YSZ was about 400 S cm⁻¹ between 600 and 800 °C.     

松散接触下 Au-Ce强相互作用对 Au/CeO2/3DOM Al2O3催化剂催化柴油炭烟燃烧活性的影响

与汽油发动机相比,柴油发动机具有热效率高、CO2排放低、寿命长、续航距离远和经济性好等优点,可大大缓解能源短缺,降低 CO2排放量.因此,机动车柴油化是当前发展趋势.然而,柴油发动机在使用过程中会排放大量炭烟颗粒物,对人体危害极大.因此,控制炭烟颗粒排放成为环境催化研究的重点之一.
　　炭烟颗粒物催化燃烧反应是典型的固(炭烟颗粒)-固(催化剂)-气(O2)多相催化反应.三维有序大孔氧化物(3DOM)具有大孔径和内部贯通的孔道结构,能有效提高炭烟颗粒与催化活性中心的接触性能.同时,纳米 Au颗粒在大孔氧化物表面的负载可有效提高催化剂本征活性,但纳米 Au颗粒催化剂热稳定性较差. CeO2具有较好的储放氧性能,可与贵金属活性组分发生相互作用,从而提高贵金属纳米颗粒的分散度和稳定性.因此,本文从柴油炭烟颗粒物催化燃烧反应本质出发,设计制备了高炭烟燃烧催化活性的3DOM氧化物担载 Au基催化剂,研究了 Au与 CeO2强相互作用对炭烟燃烧活性的影响.
　　采用胶体晶体模板法制备3DOM Al2O3载体,由微孔膜氨沉淀法制备 CeO2/3DOM Al2O3催化剂,以还原-沉积法制备 Au/3DOM Al2O3和 Au/CeO2/3DOM Al2O3催化剂,并利用扫描电镜、N2物理吸附-脱附、X射线衍射、透射电镜、紫外漫反射光谱、H2程序升温还原和 X射线光电子能谱等手段对催化剂形貌、比表面积、物理化学性质和氧化还原性进行了表征.结果表明,在 CeO2/3DOM Al2O3中, Al3+可进入到氧化铈晶格内,形成 Al-Ce-O固溶体,产生氧空位,这有利于氧物种转移.此外, Au/CeO2/3DOM Al2O3催化剂中 Au和 CeO2之间的强相互作用能增加 Au纳米颗粒表面活性氧物种数量,从而促进柴油炭烟燃烧反应.纳米颗粒 Au的担载使得催化柴油炭烟燃烧的起燃温度明显降低,其中 Au/CeO2/3DOM Al2O3催化剂表现出最高的催化活性,T10,T50和T90分别为273,364和412oC.     

三维有序结构的金掺杂纳米TiO2修饰电极用于H2O2的测定

在ITO玻璃表面构建了三维有序多孔结构的金掺杂纳米TiO2薄膜（3DOMGTD/ITO）,同时制备了一种细胞色素c（Cytc）酶生物传感器（Cytc/3DOMGTD/ITO）。通过透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）对修饰电极进行表征。紫外-可见光谱实验表明吸附在GTD上的Cytc能够保持其生物活性,二级结构未被破坏。同时研究了Cytc在3DOMGTD/ITO修饰电极表面的直接电化学及对H2O2的电催化行为。结果显示,Cytc在3DOMGTD/ITO修饰电极上有显著的直接电化学响应,峰电流与扫描速度呈线性关系,说明该电极过程是表面电化学控制过程。Cytc/3DOMGTD/ITO修饰电极对H2O2具有良好的催化性能,线性范围为3.0×10-7~1.70×10-5mol/L,检出限为3.6×10-8mol/L（S/N=3）,响应时间为5s,且该修饰电极具有较好的重现性和稳定性。     

三维有序大孔MgFe0.1Al1.9O4催化剂制备及其催化乙苯与CO2氧化脱氢的性能

采用无皂乳液聚合法合成了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球, 并以此为模板制备了具有三维有序大孔(3DOM)结构的MgFe_0.1Al_1.9O₄尖晶石催化剂, 考察了其催化乙苯与CO₂氧化脱氢生成苯乙烯反应的性能. 采用X射线衍射、扫描电镜、程序升温还原以及⁵⁷Fe 穆斯堡尔谱等方法对催化剂的物理化学性质进行表征. 结果表明, 3DOM MgFe_0.1Al_1.9O₄ 催化剂具有三维有序大孔结构, 其大孔孔径为230 nm, 孔壁平均厚度为60 nm, 其中大部分Fe物种以同晶取代的方式进入到尖晶石骨架中. 该催化剂在乙苯与CO₂氧化脱氢反应中表现出良好的催化活性和稳定性. 通过与具有相同化学组成的nano MgFe_0.1Al_1.9O₄ 催化剂对比研究发现, 3DOMMgFe_0.1Al_1.9O₄畅通的孔道结构十分有利于反应积碳前驱物的外扩散, 对提高催化剂的稳定性具有重要作用.     

CeO2纳米层对多层载体x-CeO2/3DOM Al2O3负载纳米Au催化剂催化柴油炭烟燃烧活性的影响

与汽油车相比,柴油车具有CO2排放低、寿命长和经济性好等优点,所以近年来受到广泛关注并被大量使用.但是,柴油车在使用过程中会产生大量炭烟颗粒物(PM),对大气环境和人类健康造成很大威胁.因此,开展这方面的基础研究具有重要的科学意义及环境保护意义.催化柴油炭烟燃烧反应是一个气-固-固多相深度氧化反应,由于PM的粒径远大于传统催化剂,导致PM不能进入催化剂孔道内部,造成催化剂活性比表面积利用率较低.设计并制备大孔径的三维有序大孔结构(3DOM)的催化剂,能够减小反应扩散阻力,增加催化剂与炭烟颗粒物的有效接触,加快反应进行.另外,可以通过在3DOM氧化物表面担载其它活性组分,提高催化剂的氧化还原性能,进而提高其活性.CeO2有很好的储放氧性能,在柴油车尾气净化催化剂中较为常见,但是单一的CeO2热稳定性较差,高温下容易烧结,使得比表面积减小,并且失去储氧能力,造成催化剂失活.文献中较常见的解决办法是在CeO2中掺杂其它阳离子,如Zr4+,Pr3+,Al3+,La3+及Y3+等离子,以提高CeO2的抗高温烧结能力.此外,研究报道的催化剂对催化柴油炭烟颗粒物燃烧的峰值温度已经远低于炭烟颗粒物的自燃温度,但是对颗粒物的起燃温度仍普遍较高.我们前期研究结果表明,担载纳米Au颗粒催化剂能够显著降低炭烟燃烧的起燃温度.本文采用胶体晶体模板法制备了3DOM Al2O3载体,利用微孔膜-氨沉淀法担载不同量的活性组分CeO2,制备出一种负载型x-CeO2/3DOM Al2O3催化剂,它既可减少稀土元素用量,降低成本,又因为Al2O3的机械强度较高,还能保证催化剂的机械强度足够好.为了进一步降低催化剂催化炭烟燃烧的起燃温度,利用还原沉积法在多层载体x-CeO2/3DOM Al2O3上负载纳米Au催化剂,制备出不同厚度的CeO2纳米层负载Au催化剂(Au/x-CeO2/3DOM Al2O3).利用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、H2程序升温还原和O2程序升温脱附等方法研究了催化剂的结构及物化性质与催化剂活性之间的关系,提出了消除PM反应的可能机理.结果表明,Al3+离子能够部分进入到CeO2中,形成Al-Ce固溶体.由于Al离子半径小于Ce离子,Al3+掺杂后能引起CeO2晶格发生畸变,产生大量缺陷,形成大量氧空位,促进晶格氧的移动,从而使催化剂具有更大的储放氧能力.在Au/x-CeO2/3DOM Al2O3催化剂中,CeO2担载量过高时,氧化铈纳米层较厚,活性组分容易烧结,不利于催化剂活性提高;而CeO2担载量过低,则CeO2纳米层较稀薄,催化剂的氧化还原性能受限,催化剂活性也不高.因此,CeO2的担载量应适当.此外,Au和CeO2之间的强相互作用能够增加Au纳米颗粒表面活性氧物种的数量,从而促进柴油炭烟燃烧反应.活性测试结果表明,担载纳米Au颗粒后,催化剂催化柴油炭烟燃烧的起燃温度均明显降低,在所制备的系列催化剂中Au/20％CeO2/3DOM Al2O3催化剂展示了最高的催化活性,T10,T50和T90分别为267,372和426 oC.     

三维有序大孔SnO2基固溶体用于有效燃烧碳烟颗粒

柴油车尾气排放的碳烟颗粒对人类的生存环境和身体健康带来了严重危害.催化燃烧是消除碳烟颗粒污染的有效途径.碳烟颗粒催化燃烧是固-固-气相反应,因此催化剂本身具有活泼的氧中心且其能与碳烟颗粒有效接触是提高反应效率的关键因素.为改善碳烟颗粒与催化剂的接触,设计制备三维有序大孔(3DOM)催化剂,使碳烟颗粒可以进入催化剂孔道内部,增加其与催化剂的有效接触,是提高反应活性的有效途径.此外,在催化剂晶格中掺杂其它金属离子形成固溶体结构,可提高其氧化还原性能,也可有效提高其碳烟燃烧活性.SnO2富含活泼的表面缺位氧和可还原的晶格氧,且其熔点高达1630 oC,具有良好的热稳定性,被广泛用于制备气体传感、电化学和催化等材料.在过去的6年中,本课题组在SnO2催化化学领域做了大量系统的工作,将SnO2基催化材料用于多种环保和能源反应.发现通过其它阳离子Fe3+,Cr3+,Ta5+,Ce4+和Nb5+等的掺杂,替换晶格中部分Sn4+形成金红石型SnO2固溶体结构,可显著提高催化剂氧物种的流动性、活性和本身的热稳定性.本文采用胶体晶体模板法制备出了Ce4+,Mn3+和Cu2+离子掺杂的SnO2三维有序大孔固溶体催化剂用于松散接触条件下的碳烟催化燃烧.采用SEM,TEM,XRD,STEM-mapping,O2-TPD和XPS等手段对催化剂进行表征,研究其碳烟催化燃烧性能.SEM和TEM结果表明已成功合成三维有序大孔结构样品.XRD,Raman和STEM-mapping结果表明,Ce4+,Mn3+和Cu2+离子均进入四方金红石型SnO2晶格形成固溶体结构.另外,Raman,H2-TPR,XPS和O2-TPD等结果发现上述离子掺杂三维大孔SnO2后,催化剂表面形成了更活泼、丰富的氧物种,有利于碳烟颗粒燃烧.其中3DOM-Cu1Sn9催化剂具有最丰富的活泼氧中心,因此表现出最高的活性.     

钼磷酸铵及钼磷酸掺杂的聚合物电解质

以聚氧乙烯(PEO)为基质,掺杂适量的钼磷酸铵或钼磷酸,制备出PEO-(NH₄)₃PMo12O₄₀及PEO-H₃PMo12O₄₀质子导电聚合物电解质膜,测定了其电导率.讨论了加入(NH₄)₃PMo12O₄₀及H₃PMo12O₄₀对PEO构型及Keggin阴离子的影响,分析了PEO-(NH₄)₃PMo12O₄₀及PEO-H₃PMo12O₄₀复合膜质子电导提高的原因.其中PEO-(NH₄)₃PMo12O₄₀质子导电聚合物电解质复合膜的室温电导率最高可达1.4×10_-3S/cm.     

Sulfonated poly(ether sulfone)/sulfonated polybenzimidazole blend membrane for fuel cell applications

Polymer blending is used to modify or improve the dimensional and thermal stability of any two different polymers or copolymers. In this study, both sulfonated polybenzimidazole homopolymer (MS-p-PBI 100) and sulfonated poly(aryl ether benzimidazole) copolymers (MS-p-PBI 50, 60, 70, 80, 90) were successfully synthesized from commercially available monomers. The chemical structure and thermal stability of these polymers was characterized by ¹H NMR, FT-IR and TGA techniques. Blend membranes (BMs) were prepared from the salt forms of sulfonated poly(ether sulfone) (PES 70) and MS-p-PBI 100 using dimethylacetamide (DMAc). These blend membranes exhibited good stability in boiling water. The blending of 1 wt.% of MS-p-PBI 100 and 99 wt.% of PES 70 to produce the blend membrane BM 1 reduced membrane swelling, thus leading to good dimensional stability and comparable proton conductivity. Hence, BM 1 was chosen for the fabrication of a membrane electrode assembly (MEA) for proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) and direct methanol fuel cell (DMFC) applications. This paper reports on PEMFC and DMFC performance under specific conditions.     

三维有序SiC空心球的制备及表征

以三维有序多孔碳为模板, 以聚甲基硅烷(PMS)为前驱体, 经过前驱体的渗入、交联和陶瓷转化以及多孔碳模板的烧除, 制备了长程三维有序SiC空心球. 所制备的SiC空心球的外径(135-896 nm)、 球壳厚度(14-79 nm)、 BET比表面积(50.8～5.0 m2/g)及微孔体积(0.265～0.038 cm3/g)受不同孔径的多孔碳模板(150-1 000 nm)或不同前驱体浓度的控制. 所制备的SiC空心球以hcp结构排列成长程三维有序的序列.     

三维有序大孔钙钛矿型氧化物LaFeO3的合成及甲烷化学链重整性能

采用无皂乳液聚合法制备了聚苯乙烯(PS)聚合物微球,并采用胶晶模板法制备了三维有序大孔3DOM LaFeO₃钙钛矿型氧化物.通过扫描电镜、X射线衍射和傅里叶变换红外光谱等手段对氧化物的性能进行了表征.利用程序升温还原和多次氧化还原循环反应评价了氧化物的反应性,并在固定床反应器上研究了其甲烷氧化性能.结果表明,与离心法和蒸发法相比,垂直沉积法获得的PS微球模板排列更均匀有序;前驱物溶剂及浓度对最终的三维有序大孔材料的结构有显著影响,利用乙醇为前驱物溶剂所制备的样品比利用乙烯为溶剂的样品具有更好的三维有序大孔结构,前驱物乙醇溶液浓度在1.0 mol/L为宜.甲烷氧化实验表明,3DOM-LaFeO₃钙钛矿型氧化物中存在两种氧物种:表面吸附氧和体相晶格氧.表面吸附氧主要在反应初期将甲烷完全氧化为CO₂和水蒸汽,而体相晶格氧主要将甲烷部分氧化为H₂和CO.在甲烷部分氧化反应中,三维有序大孔LaFeO₃钙钛矿型氧化物比相同质量的纳米LaFeO₃氧化物提供了更多的氧,并且可使甲烷在较宽的反应阶段生成H₂和CO摩尔比为2:1的合成气,从而更有利于后续的费托合成等工艺.     

钾掺杂三维有序大孔结构Mn0.5Ce0.5Oδ催化剂合成及其催化燃烧炭烟性能

柴油发动机是一种高效耐用的发动机,具有广阔的应用前景.但柴油车尾气中的炭烟颗粒吸附了许多有毒有害物质,也是城市PM2.5的主要来源之一,对人类生命安全造成极大威胁.因此,降低和消除柴油车尾气中的炭烟颗粒是柴油车尾气净化的重要任务.尾气后处理是炭烟颗粒进入大气环境前的最后一道程序,可有效控制柴油车尾气中炭烟颗粒排放.其中,催化净化催化剂是尾气后处理技术的核心.研究表明,炭烟颗粒催化燃烧是一个气-固-固三相深度氧化反应,因此开发新型催化剂体系,改善催化剂与炭烟颗粒的接触,提高催化剂的本征活性,对于研制高活性炭烟燃烧催化剂具有重要的实际意义. 对于三维有序大孔(3DOM)结构催化剂,大孔有利于炭烟颗粒进入催化剂内部并与活性位点接触,而有序的孔道结构可以促进炭烟颗粒在催化剂孔道内传输.因此,将催化炭烟颗粒燃烧催化剂设计成3DOM结构,可促进炭烟颗粒催化燃烧,提高催化剂活性.研究表明,锰铈复合氧化物材料在炭烟颗粒催化燃烧中表现出比单一的锰氧化物和铈氧化物更好的性能.而将K与Ce和Mn形成复合氧化物,利用三者之间的协同作用,将可使K掺杂3DOM结构Mn0.5Ce0.5Oδ催化剂具有更高的催化活性.本文利用胶体晶体模板法成功制备了3DOM结构的Mn0.5Ce0.5Oδ复合氧化物,并采用简单的等体积浸渍方法成功制备了不同K担载量的K掺杂3DOM结构Mn0.5Ce0.5Oδ催化剂(K-MCO).表征结果表明, K-MCO催化剂具有贯通有序的大孔结构,但焙烧温度和焙烧时间会对大孔结构的规整性有一定影响;催化剂中K含量、焙烧温度和焙烧时间对K-MCO的晶型影响较大,催化剂中出现了一个新的晶相K2Mn4O8.另外, K含量、焙烧温度和焙烧时间对催化剂的氧化还原性能也有较大影响.评价结果表明,所制催化剂对炭烟催化燃烧均具有较高活性,其中20% K-MCO-4h催化剂活性最高,催化燃烧炭烟的T50(炭烟的最大燃烧峰值)为331oC, CO2选择性为95.3%.催化剂的大孔结构效应以及K, Mn和Ce三者间的协同作用有利于提高催化剂催化燃烧炭烟的活性.另外,由于柴油车尾气排气口温度范围为175–400 oC,而本文所制催化剂催化燃烧炭烟的温度低于400 oC,因此该催化剂可以在柴油车尾气排气口温度范围内进行炭烟催化燃烧.由于具有合成步骤简单、活性高以及成本低等优点,该催化剂在实际应用方面具有广阔前景.     

胶粒晶体模板法制备三维有序大孔材料

使用胶粒模板法制备三维有序大孔材料（three-dimensional ordered macroporous material,3DOM）是一个快速发展的领域。本文综述了3DOM的合成技术,包括各种填充模板的方法、模板的去除方法以及它们在光子晶体、催化材料、生物传感器以及医学等方面的应用前景。     

P(VDF-co-TrFE-co-CTFE)-g-SPS共聚物的合成表征

采用商业聚（偏氟乙烯-co-三氟氯乙烯）（P(VDF-co-CTFE)为原料,结合氢化反应、ATRP和磺化反应系统合成了一系列聚（偏氟乙烯-co-三氟乙烯-co-三氟氯乙烯）-g-磺化聚苯乙烯（P(VDF-co-TrFE-co-CTFE)-g-SPS）共聚物.重点研究了测试环境（如温度和相对湿度）、聚合物微观结构（接枝密度,接枝长度等）对聚合物形貌、吸水率和质子传导率的影响.研究表明,在接枝量相同的情况下,随着接枝密度的降低,聚合物的相分离更加明显,亲水相从孤岛型逐渐转变为部分连续型;聚合物的吸水率随磺酸基摩尔含量增加而提高;聚合物的质子传导率随着温度的提高和湿度的降低而降低;在较低温度下,聚合物的电导率随接枝密度的增加而降低,而在较高温度下,聚合物的电导率随接枝密度的增加而升高.组成优化的P(VDF-co-TrFE-co-CTFE)-g-SPS共聚物在30~120℃和高湿度条件下,其质子传导率明显优于Nafion112膜.