聚苯胺/贵金属复合纳米材料的可控合成及催化应用

导电高分子/贵金属复合纳米材料因其在催化、传感、表面增强拉曼、光热治疗等诸多领域的应用前景而受到广泛关注.本文主要介绍我们课题组近年来利用可控合成策略制备的负载型和包埋型两种结构聚苯胺/贵金属复合纳米材料,以及利用复合纳米材料的结构和功能特性,对其在多相催化领域的应用、结构与催化性能之间构效关系的探索.     

炭黑/聚苯胺纳米复合粒子的制备与表征

用现场原位聚合法制备了炭黑/聚苯胺纳米复合粒子,讨论了聚合反应条件对产物电导率的影响,并表征了复合粒子的形态和耐热性能.结果表明,所得的炭黑/聚苯胺纳米复合粒子粒度约为50 nm并具有核-壳结构,其电导率达30 S.cm-1,热分解温度约为600℃.     

纳米结构Au/Fe_2O_3的制备、表征及催化氧化性能

分别以纳米和块状氧化铁为载体,通过沉积沉淀法制备了Au/Nano-Fe2O3和Au/Bulk-Fe2O3,并对其进行了表征和催化氧化性能测试。结果表明:对于Au/Nano-Fe2O3,5 nm Au颗粒被尺寸相当的Nano-Fe2O3所包覆,形成新颖的类似核壳结构;对于Au/Bulk-Fe2O3,3 nm Au颗粒高度分散于Bulk-Fe2O3的表面。在1-苯乙醇的氧化反应中,Au/Nano-Fe2O3显示出比Au/Bulk-Fe2O3更好的催化活性。活性的增强主要与小尺寸的Nano-Fe2O3以及Au和Nano-Fe2O3更大的接触界面有关。相比于广泛受到重视的Au的尺寸效应来说,对于Au/Nano-Fe2O3而言,Fe2O3尺寸的影响更大。     

聚苯胺/顺丁橡胶复合导电膜的制备与性能

采用溶液共混与浇铸法制备聚苯胺（PAn ）/顺丁橡胶（BR）复合导电膜,确定了本征态聚苯胺以顺丁橡胶为弹性基体材料,甲苯为溶剂,过氧化二苯甲酰为交联剂,十二烷基苯磺酸作为共混分散剂和聚苯胺掺杂剂的复合膜制备工艺,并对复合膜的导电性能和形态结构进行了测试与表征.     

ZnO/Ag复合纳米粒子的制备与表征

以乙酸锌为前驱物,乙醇为溶剂,油酸钠为表面修饰剂,采用溶液化学法,在乙醇体系中制得纳米Zn O。然后缓慢加入一定量的硝酸银乙醇溶液,在乙醇的还原作用下将Ag+还原为Ag纳米粒子,制得Zn O/Ag复合纳米粒子。通过紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、荧光光谱(FL)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)等方法对所制备的氧化锌-银复合纳米粒子样品进行表征。结果表明,所合成的Zn O/Ag复合纳米粒子为球形,尺寸为20-30nm且粒径分布较窄。Ag纳米粒子附着于Zn O纳米粒子表面,并起到良好的表面修饰作用。对制备Zn O/Ag复合纳米粒子的机理进行了初步探究。     

Fe_2O_3/TiO_2纳米管阵列的制备及其光催化性能

在钛基体上采用阳极氧化法制备了TiO2纳米管阵列,采用化学浴方法在TiO2纳米管阵列上修饰了Fe2O3纳米颗粒。利用扫描电镜、X射线衍射和紫外可见漫反射光谱等手段对材料进行了表征,同时测试了材料的光电化学性能及其光催化降解亚甲基蓝染料废水的性能。结果表明,Fe2O3纳米颗粒的修饰将TiO2纳米管阵列的光响应拓宽至可见光区域,提高了光电流,Fe2O3/TiO2纳米管阵列的光电流是未修饰的TiO2纳米管阵列的9倍。而在光催化反应中,亚甲基蓝最高降解率可达80%,比未修饰的TiO2纳米管阵列高出30%。     

磁性Fe_3O_4@PS@PAMAM-Ag复合催化粒子的制备及其可再生催化性能(英文)

采用聚苯乙烯(PS)包裹Fe3O4磁性纳米粒子,制得Fe3O4@PS复合微球,以此作为磁性载体,通过微球表面的羧基将聚酰胺-胺类树形大分子(PAMAM)连接到磁性载体上,然后使Ag纳米粒子镶嵌在树形分子层中,制得可再生的金属复合催化粒子Fe3O4@PS@PAMAM-Ag.并采用红外光谱、扫描电镜、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)和X射线光电子能谱等方法对复合催化粒子进行了表征,结果表明,树形分子可以较好地分散和稳定金属Ag纳米粒子,所制复合催化粒子表面Ag含量为1.64%,具有较高的催化还原对硝基苯酚的活性.同时,利用外加磁场可以方便快捷地从反应体系中分离出来,继续用于下一次反应中,复合催化粒子循环使用6次后,仍保持完全的催化性能.     

聚苯乙烯/银纳米粒子复合微球的合成及催化性能

首先通过乳液聚合和浓硫酸酸化制备表面富含磺酸根的磺化聚苯乙烯(PS)微球(直径532 nm),再用其静电吸附[Ag(NH_3)_2]~+离子,最后采用聚乙烯吡咯烷酮还原表面吸附的[Ag(NH_3)_2]~+离子,得到了负载银纳米粒子的PS/AgNPs复合微球.采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、紫外-可见光谱、红外光谱和X射线衍射表征了PS/AgNPs复合微球,并考察了其对甲基蓝(MB)的催化性能.结果表明,Ag纳米粒子高度分散在磺化PS微球表面;该PS/AgNPs复合微球对催化转化MB有较高的催化活性,并可多次重复利用.本研究在催化降解有机污染物方面有一定的实用价值.     

负载Cr(VI)纳米Fe_3O_4磁性高分子材料的催化性能

采用氨基功能化纳米Fe3O4磁性高分子材料(NH2-NMPs)处理含Cr(VI)水溶液,得到了吸附重金属Cr(VI)后回收材料(Cr-NH2-NMPs).通过透射电镜(TEM)、振动样品磁强计(VSM)、热重差热分析(TGA)、X射线粉末衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)等对其进行表征.着重研究了以苯甲醇为底物,30%的H2O2为氧化剂,Cr-NH2-NMPs对醇的选择性氧化的催化性能.详细考察了H2O2用量与加入方式、反应时间、反应温度、反应体系中加入酸的种类与用量、催化剂用量、溶剂种类等因素对催化氧化性能的影响,推导出可能的催化机理.结果表明:吸附重金属Cr(VI)后回收材料(Cr-NH2-NMPs)能有效催化苯甲醇氧化至苯甲醛.反应温度为70℃,环己烷为溶剂,在适量质子酸作用下,H2O2与苯甲醇的物质的量比为3.2:1时,苯甲醇的转化率及苯甲醛的选择性均达100%,可以实现"变废为宝"的目的.     

内含Fe_3O_4和金纳米粒子的碳化微球的制备及其催化性能

通过蒸馏-沉淀聚合制备了丙烯酸-二乙烯苯共聚物微球,经离子交换吸附Fe2+离子,然后通过空气中加热、氩气气氛中高温碳化得到了含Fe3O4纳米粒子的多孔磁性碳化微球。在水介质中多孔磁性碳化微球吸附氯金酸,然后还原得到内含金纳米粒子的磁性碳化微球。以硼氢化钠还原对硝基苯酚生成对氨基苯酚反应为例,研究了内含金纳米粒子的磁性碳化微球的催化作用。结果表明,内含金纳米粒子的磁性碳化微球对该反应有很好的催化作用。通过外磁场很容易将磁性微球从反应液相中分离出来,微球重复使用10次后其催化活性基本未变。     

纺锤形α-Fe2O3粒子的溶液催化合成

以Fe₂(SO₄)₃为原料, 在pH为4～7、微量催化剂Fe^2＋离子及晶体助长剂NaH₂PO₄存在下, 沸腾回流, 短时间可直接成长出纺锤形α-Fe₂O₃超细粒子. 与强迫水解法和水热法比较, 该方法具有操作简单、反应物浓度高、反应条件温和及重现性好等优点. 同时研究了各种因素对产物的轴比及相转化速率的影响.     

Synthesis and characterization of Fe2O3/SiO2 nanocomposites

Fe₂O₃/SiO₂ nanocomposites based on fumed silica A-300 (S_BET = 337 m²/g) with iron oxide deposits at different content were synthesized using Fe(III) acetylacetonate (Fe(acac)₃) dissolved in isopropyl alcohol or carbon tetrachloride for impregnation of the nanosilica powder at different amounts of Fe(acac)₃ then oxidized in air at 400–900 °C. Samples with Fe(acac)₃ adsorbed onto nanosilica and samples with Fe₂O₃/SiO₂ including 6–17 wt% of Fe₂O₃ were investigated using XRD, XPS, TG/DTA, TPD MS, FTIR, AFM, nitrogen adsorption, Mössbauer spectroscopy, and quantum chemistry methods. The structural characteristics and phase composition of Fe₂O₃ deposits depend on reaction conditions, solvent type, content of grafted iron oxide, and post-reaction treatments. The iron oxide deposits on A-300 (impregnated by the Fe(acac)₃ solution in isopropanol) treated at 500–600 °C include several phases characterized by different nanoparticle size distributions; however, in the case of impregnation of A-300 by the Fe(acac)₃ solution in carbon tetrachloride only α-Fe₂O₃ phase is formed in addition to amorphous Fe₂O₃. The Fe₂O₃/SiO₂ materials remain loose (similar to the A-300 matrix) at the bulk density of 0.12–0.15 g/cm³ and S_BET = 265–310 m²/g.     

Fe2O3/Al2O3二元气凝胶合成高质量单壁纳米碳管

通过溶胶和超临界干燥方法制得了Fe₂O₃/Al₂O₃二元气凝胶，其比表面积和孔隙体积分别为246 m²·g^-1和1.89 cm³·g^-1，并具有较宽的孔径分布。以Fe₂O₃/Al₂O₃二元气凝胶作催化剂，通过甲烷催化裂解成功地合成了高质量的单壁纳米碳管。利用FESEM、TEM和HRTEM、Raman光谱等分析手段研究了反应温度对单壁纳米碳管生长的影响。结果表明在900 ℃时合成单壁纳米碳管的质量较高，并且合成的炭产物为毡状，该炭产物主要为高质量的单壁纳米碳管。     

超声法制备Au/Fe_3O_4及其催化还原4-硝基苯酚性能

通过简易的超声法以及原位还原法成功制备出了负载型可再生Au/Fe_3O_4催化剂。利用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)作为有机桥键,将Au固定在Fe_3O_4的表面,得到单分散磁性Au/Fe_3O_4。Au0在氨基的作用下不会团聚,因此具有较高的催化活性及稳定性。XRD、HRTEM、EDS和XPS等测试结果表明Au/Fe_3O_4已被成功制备。将其用于催化还原4-硝基苯酚得到4-氨基苯酚,表现出较高的催化活性,速率常数可达0.225 6 min~(-1)。重复性实验表明该催化剂具有良好的稳定性,反应9个循环之后,催化还原反应的转化率仍可达到94%。     

超声法制备Au/Fe3O4及其催化还原4-硝基苯酚性能

通过简易的超声法以及原位还原法成功制备出了负载型可再生Au/Fe₃O₄催化剂。利用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）作为有机桥键,将Au固定在Fe₃O₄的表面,得到单分散磁性Au/Fe₃O₄。Au⁰在氨基的作用下不会团聚,因此具有较高的催化活性及稳定性。XRD、HRTEM、EDS和XPS等测试结果表明Au/Fe₃O₄已被成功制备。将其用于催化还原4-硝基苯酚得到4-氨基苯酚,表现出较高的催化活性,速率常数可达0.225 6 min^-1。重复性实验表明该催化剂具有良好的稳定性,反应9个循环之后,催化还原反应的转化率仍可达到94%。     

碳纳米管负载的Fe2O3催化剂制备

Carbon nanotubes were modified by FeSO₄-H₂O₂ system, iron hydroxides were adsorbed on the wall of carbon nanotubes simultaneously. These precursors were treated at 723K for 2 h under hydrogen, nitrogen and air atmosphere to prepare carbon nanotubes supported γ-Fe₂O₃catalyst, γ-Fe₂O₃and α-Fe₂O₃compound catalyst and amorphous Fe₂O₃catalyst, respectively. This is green method to prepare high Fe₂O₃loading (≥50 %) catalyst without adding other cation. The different structures Fe₂O₃catalysts can be synthesized by controlling the condition of thermal treatment to content active phase requirements for different catalytic reactions. The paper presents a new method to prepare carbon nanotubes supported catalysts.     

Magnetic assembled electrochemical platform using Fe2O3 filled carbon nanotubes and enzyme

A novel electrochemical nanostructured biosensor based on carbon nanotubes (CNTs) has been constructed by magnetic assembly method. The magnetic multi-walled carbon nanotubes (M-MWNTs) were prepared by introducing Fe₂O₃ nanoparticles into the nanotubes. Thus the multilayered functional platform could be assembled with the aid of magnetic field. The horseradish peroxidase (HRP) was employed as a model enzyme to demonstrate the final performance of the nanostructured biosensor. SEM, UV–vis spectroscopy and electrochemical techniques were used for characterization of assembly process. The resulting three-dimensional M-MWNTs/HRP multilayer films have showed satisfactory stability, biocompatibility and electrochemical properties.     

一锅法制备S型异质结光催化剂Fe2O3/Fe2TiO5及其高效降解有机污染物性能

首次采用简单的一锅法制备了Fe₂O₃/Fe₂TiO₅异质结纳米材料。构建S型异质结后,与纯的Fe₂O₃和Fe₂TiO₅相比,Fe₂O₃/Fe₂TiO₅复合材料表现出更高的光催化降解速率和效率。经过2.5 h的光照后,Fe₂O₃/Fe₂TiO₅可以降解接近100%的亚甲基蓝（MB）。在Fe₂O₃/Fe₂TiO₅复合材料中,Fe₂O₃和Fe₂TiO₅之间形成了内建电场,可以促进光生电子-空穴对的分离。因此,具有更高能量的Fe₂TiO₅导带中的电子和具有更高能量的Fe₂O₃价带中的空穴可以得到有效的保留,从而使它们更加有效地扩散到催化剂表面,并参加降解反应。此外,Fe₂O₃/Fe₂TiO₅复合材料具有很好的光催化稳定性。     

Ag修饰的Fe_3O_4/TiO_2复合磁性纳米纤维的制备及光催化性能

通过静电纺丝法制备了含有Fe3O4纳米粒子的TiO2纳米纤维,采用水热法对该纤维表面进行纳米Ag修饰,制备出具有较强磁性和较好光催化性能的复合纤维.采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见光谱(UV-Vis)等对样品的结构和形貌进行表征,并以罗丹明B(Rh B)水溶液降解为模型反应,考察样品在紫外光照射下的光催化性能.结果表明,所制备的TiO2为锐钛矿结构,Fe3O4纳米粒子均匀分布在TiO2纤维中,Ag纳米颗粒比较均匀地分散在磁性TiO2纤维表面.经过纳米Ag修饰后,材料的光吸收能力大为增强,吸收带红移并扩展到可见光区.在紫外光照射40 min后,合成样品对Rh B的降解率达到99.5%.此外,Fe3O4纳米粒子的存在使该材料具有较强的磁性,可通过外加磁场将其分离回收.     

Synthesis of Fe3O4\SiO2\Ag nanoparticles and its application in surface-enhanced Raman scattering

To obtain a recyclable surface-enhanced Raman scattering (SERS) material, we developed a composite of Fe₃O₄\SiO₂\Ag with core\shell\particles structure. The designed particles were synthesized via an ultrasonic route. The Raman scattering signal of Fe₃O₄ could be shielded by increasing the thickness of the SiO₂ layer to 60 nm. Dye rhodamine B (RB) was chosen as probe molecule to test the SERS effect of the synthesized Fe₃O₄\SiO₂\Ag particles. On the synthesized Fe₃O₄\SiO₂\Ag particles, the characteristic Raman bands of RB could be observed when the RB solution was diluted to 5 ppm (1×10⁻⁵ M). Furthermore, the synthesized particles could keep their efficiency till four cycles.