苯乙烯和N-乙烯基吡咯烷酮共聚物/Ag复合微球的制备及性能研究

首先用无皂乳液聚合法制备了单分散聚苯乙烯(PSt)乳液,以此为种子乳液,使用N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为交联剂,过硫酸钾(KPS)为引发剂,进行苯乙烯和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)共聚合制备了以PSt为核、St和NVP共聚物为壳的具有核-壳结构的聚合物微球(P(St-NVP)).以此微球为模板通过化学沉积法得到了粒径分布均匀、单分散的P(St-NVP)/Ag复合微球.傅里叶红外光谱、X-射线衍射、扫描电镜、透射电镜、激光粒度仪和紫外-可见光谱对复合微球的结构、形貌、物相及催化性能进行了表征.结果表明,P(St-NVP)/Ag复合微球具有规则的球形结构,粒径在400～700 nm之间,随交联剂浓度或种子乳液浓度的增加,复合微球粒径减小.粒径在十几个纳米左右的银粒子均匀分布在微球表面和内部.载银复合微球在NaBH4还原4-硝基苯酚为4-氨基苯酚的模型反应中表现出较高的催化活性.     

三羟甲基丙烷三丙烯酸酯-苯乙烯沉淀聚合高产率制备高交联单分散聚合物微球

以三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)-苯乙烯(St)为单体,偶氮二异丁腈(AIBN)为自由基引发剂,通过在乙醇中的沉淀聚合可制得高交联单分散P(TMPTA-St)聚合物微球.对单体转化率,微球以及可溶性低聚物的产率进行了测试.结果表明,使用10 wt%至60 wt%的交联剂TMPTA进行聚合可获得单分散微球,产率在50%左右.增加TMPTA用量可提高微球产率和单体转化率.增加引发剂AIBN用量对提高微球产率也有促进作用,但同时可溶性低聚物产率也增加.向乙醇中加入水作为反应介质结合适当增加AIBN用量可使单体转化率达到98%,微球产率高于90%.对实验结果进行了解释,对聚合机理进行了讨论.     

采用反应挤出三次加料法合成苯乙烯/异戊二烯/苯乙烯

以同向啮合双螺杆挤出机为反应器,采用苯乙烯和异戊二烯为聚合单体,以正丁基锂为引发剂,采用三次加料法合成苯乙烯/异戊二烯/苯乙烯(SIS)三嵌段热塑性弹性体.氢核磁共振(1H NMR)谱分析结果表明,共聚物中聚异戊二烯嵌段以1,4-结构为主.采用四氧化锇催化双氧水氧化降解聚合物分子链,利用凝胶渗透色谱对氧化降解后的聚苯乙烯碎片进行分析,证明共聚物分子为(聚苯乙烯-聚异戊二烯-聚苯乙烯)(PS-PI-PS)三嵌段结构.动态力学分析(DMA)及透射电子显微镜(TEM)分析结果表明,SIS具有两相分离结构.拉伸试验结果表明,共聚物拉伸强度与苯乙烯含量有关.     

SiO2纳米颗粒与聚氧乙烯对Pickering乳液的协同稳定作用简

研究了聚氧乙烯(PEO)与SiO2纳米颗粒对水/二甲苯体系Pickering乳液的协同稳定作用. 实验发现,PEO的存在减小了乳液液滴的平均直径,抑制了乳液的相反转,有效阻止了乳液的熟化,使乳液具有更好的稳定性. 进一步对纳米颗粒膜的流变性质进行研究,结果表明,PEO高分子促进了纳米颗粒形成更大尺寸的聚集结构,提高了其在界面上的吸附性,增强了颗粒膜的力学性能,在较小颗粒用量条件下使得Gibbs稳定性判据得到满足.     

硅表面活性剂增强的双网络耐高温多孔有机硅弹性体

采用聚醚改性三硅氧烷表面活性剂、 丙烯酸酯改性硅油和水3种组分制备了稳定的油包水(W/O)乳液, 经酸碱催化水解、 紫外引发聚合和干燥除水过程得到了双网络多孔有机硅弹性体. 扫描电子显微镜(SEM)分析结果表明, 所制备的有机硅弹性体具有丰富的孔径结构分布. 压缩强度测试结果表明, 弹性体具备良好的耐压缩性能, 45%压缩应变下循环50次, 仍具备良好的回弹性能. 有机硅弹性体具有优异的耐高温性能, 分解温度为370 ℃, 高于绝大多数多孔有机硅弹性体材料的分解温度. 丙烯酸酯改性硅油的制备工艺成熟、 廉价易得, 显著降低了多孔有机硅弹性体的生产成本, 为规模性开发有机硅材料提供了新的思路和应用前景.     

基于扩散强化的Pickering界面生物催化系统构建及CO2矿化过程研究

CO₂的有效利用有助于解决环境和生态问题.碳酸酐酶(CA)等酶分子可精准活化CO₂分子以降低反应能垒,为CO₂的高效和高选择性转化提供了一种有前景的途径.然而,酶离开生物体后易失活,且难以重复利用.目前,包埋型固定化酶是常用且有效的提高酶稳定性与回用率的方法之一,但载体的存在会造成反应物CO₂内扩散阻力增加,降低反应活性.此外,CO₂酶促转化是一个气-液-固三相反应过程,反应体系中CO₂的外扩散性能也需要加强.金属有机骨架(MOFs),特别是咪唑酯骨架(ZIFs),常被用作酶固定化的载体.ZIFs的拓扑结构可被设计成不同形貌,进而通过ZIFs的结构工程来加强分子向其中的内扩散.Pickering乳液是指以固体颗粒代替常规表面活性剂而稳定的乳液.当固体颗粒具有催化活性时,催化剂颗粒会扩大液-液-固或气-液-固三相接触面积,从而有效协调反应物在不同相中的扩散时间.如果酶被用作这些颗粒的活性中心,所制备的Pickering乳液也可能具备类似的特性,可加强底物分子向酶的外扩散.本文选择两种具有不同结构的ZIFs(ZIF-L和ZIF-8),原位包埋CA后形成CA@ZIFs颗粒以稳定Pickeirng乳液.ZIF-L和CA@ZIF-L颗粒显示出独特的二维层状堆叠结构.ZIF-8和CA@ZIF-8颗粒呈棱角清晰的十二面体结构.与CA@ZIF-8颗粒相比,CA@ZIF-L颗粒显示出更大的孔径和更宽的孔径分布,这有助于CO₂从CA@ZIF-L颗粒表面扩散至酶活性中心.利用酶活测试来研究内扩散是否通过结构工程得到了加强,发现CA@ZIF-L颗粒的活性比CA@ZIF-8颗粒高22.3%,推测这是由于CA@ZIF-L颗粒特殊的十字花状结构会缩短CO₂从颗粒表面扩散至酶活性中心的距离.同时,十字花状结构可暴露更多的酶活性位点(CA@ZIF-L颗粒的暴露面积是CA@ZIF-8颗粒的~8倍),从而提升了反应物浓度并显示出更高的催化活性.本文还设计了吸附实验来进一步验证上述假设,发现BSA@ZIF-L颗粒对香豆素的吸附率远高于BSA@ZIF-8颗粒,说明与ZIF-8相比,酶包埋于ZIF-L具有更强的捕获小分子的能力,表明CO₂分子向CA@ZIF-L的扩散速度更快,即CA@ZIF-L的十字花状结构可强化系统的内扩散过程.进一步比较了PIBS和游离多酶体系的催化活性,将CO₂通入每个系统,在反应前20 min,PIBS的pH值下降速度比游离体系快得多,说明PIBS通过在气相和液相间构建更大的界面,缩短了CO₂向CA的扩散距离,从而提高了催化效率,促进了CO₂转化.上述假设也通过扩散动力学的计算得到了验证.为进一步研究PIBS的CO₂矿化能力,本文开展了CaCO₃矿化反应,发现PIBS的CaCO₃产量远高于游离多酶体系,表明构建的PIBS在强化内外扩散方面具有显著优势.最后,评估了PIBS在工业应用中的性能,由CA@ZIF-L和CA@ZIF-8颗粒构建的PIBS显示出较好的可回收性,在第8个循环后,PIBS仍可保持8.9 mg/5 min的CaCO₃产量.综上,PIBS可为CO₂的酶促转化和框架提供一个新方法和新平台.     

“两性一度”教学要求下的物理化学综合实验教学探索——以无表面活性剂微乳的构筑及应用为例

围绕“两性一度”的教学要求,结合胶体和纳米科学的发展前沿设计了一个物理化学综合实验。该实验内容丰富、易实施,立足基础,落实高阶,重视创新和挑战,是对理论课程的有力支撑。项目的实施可激发学生对物理化学的学习兴趣,夯实基础,提高对知识的理解和综合运用能力,开阔科学视野,培养创新能力、探索精神和环保意识。     

苯乙烯与4-氨基苯酚的氢氨甲基化反应研究北大核心CSCD

氢氨甲基化反应(HAM)是由简单烯烃、胺和合成气一锅法合成有价值胺的方法,具有较高的原子经济效率.然而,4-氨基苯酚作为一种特殊的反应底物,因其同时具有羟基和胺基官能团,在羰基化反应过程中能够选择性地在不同位点发生反应获得不同的产物.因此,我们系统研究了4-氨基苯酚与烯烃的HAM,通过筛选反应参数,确定了最优反应条件,并通过调控添加剂种类,选择性地在4-氨基苯酚的不同活性位点发生反应.结果表明,以甲醇为溶剂,三(3-甲氧基苯基)膦为配体,RhCl(PPh_(3))_(3)为催化剂前驱体,合成气压力4 MPa(H_(2)∶CO=3∶1),反应温度100℃,反应时间20 h时,该催化体系具有最高的反应活性.当以CH3COOH作为添加剂时,选择性的4-氨基苯酚的胺基官能团发生氢氨甲基化反应得到产物4-[(2-苯丙基)氨基]苯酚,收率为82%;当以DBU作为添加剂时,得到苯乙酮产物,收率为92%.最后,提出了该反应可能的机理,为4-氨基苯酚的选择性反应提供理论依据.     

压缩CO2中Co-N-C催化3-硝基苯乙烯选择性加氢反应动力学及相行为

对于苯环上含有各种可还原基团(如–C=C,–CN,–C≡C)的硝基芳烃,通过选择性加氢来制备芳香胺类化合物依然充满挑战.负载型纳米催化剂通常存在过度加氢的缺陷,虽然通过覆盖部分金属位点等方法可改善其选择性,但多是以牺牲催化活性为代价.得益于较高的原子利用率以及孤立的活性位结构,单原子催化剂在硝基芳烃选择性加氢反应中崭露头角.例如Pt1/FeOx单原子催化剂在3-硝基苯乙烯加氢反应中对目标产物的选择性高于99％,且转化频率(TOF)是Pt纳米催化剂的20倍以上.然而,已报道的单原子催化体系中,活性组分多为Pt族贵金属,且以有机溶剂为反应介质,不符合绿色化学理念.本文以环境友好型溶剂——压缩CO2为反应介质,以氮掺杂碳负载非贵金属Co单原子(Co-N-C)为催化剂,实现了3-硝基苯乙烯的选择性加氢,且反应体系中无任何有机溶剂和助剂.在温和(60 oC,3 MPa H2(RT),总压8.1 MPa)的反应条件下,3-硝基苯乙烯可完全转化,目标产物3-乙烯基苯胺的选择性达到>99％,且产物可通过简单卸压直接分离.Co-N-C单原子催化剂表现出较高的稳定性,循环使用4次以后活性并无明显降低.HAADF-STEM表征发现反应后的催化剂中,Co仍然呈单原子分散.研究发现,通过改变CO2压力(即CO2相行为)可调变H2在其中的溶解度以及在加氢反应中的反应级数,进而调变反应速率.通常认为,催化活性会随CO2压力增大呈线性增加,而本文中转化率却随CO2压力增加呈现"倒V型"曲线关系,即当体系总压为8.1 MPa(PCO2=5.0 MPa)时,转化率达到最大值(100％),而升高或降低CO2压力均会显著降低催化活性.为解释"倒V型"曲线的成因,通过含可视窗的高压釜研究了3-硝基苯乙烯/CO2/H2三元体系的相行为.发现当总压为13.4 MPa时,体系为均匀的一相(即3-硝基苯乙烯完全溶解在CO2中);而当总压为8.1 MPa时,却形成了气-液两相.用激光笔照射高压釜上部的气相时,出现了明显的丁达尔现象,说明其中溶解有少量的3-硝基苯乙烯,呈胶体分散;底部为CO2膨胀的3-硝基苯乙烯液相,且该膨胀行为通过硝基苯-CO2二元相行为研究得到证实(即在一定CO2压力下,6 mL硝基苯可被CO2膨胀至充满整个高压釜(容积为29.3 mL)).动力学研究发现,在不含CO2以及总压为11.2 MPa时,H2的反应级数为～0.5;而当总压为8.1 MPa(CO2压力为5.0 MPa)时,H2的级数降为0,说明该压力下H2的溶解度显著增加.通过Peng-Robinson方程计算了不同CO2压力下H2的溶解度,发现H2溶解度与CO2压力也呈"倒V型"曲线关系,且最高点对应的CO2压力与上述转化率-PCO2曲线一致.因此,当总压为8.1 MPa,CO2分压为5.0 MPa时形成了CO2膨胀的3-硝基苯乙烯液体,溶解入该膨胀液体的CO2促进了H2的溶解,进而使H2的反应级数降为0,从而促进了加氢反应的进行.综上,本文以压缩CO2为溶剂,以非贵金属基Co-N-C为催化剂,发展了一种3-硝基苯乙烯绿色选择性加氢途径.同时发现,改变CO2压力可调变反应体系的相行为及反应动力学行为,进而调变催化性能.该研究结果可为调变压缩CO2介质中进行的其它催化转化反应性能提供借鉴.     

乙酰丙酮氧钼催化的苯乙烯双羟化反应

以钼酸铵与乙酰丙酮反应生成催化剂乙酰丙酮氧钼MoO2(acac)2,考察了反应溶剂、氧化剂存在形式、不同助催化剂、反应温度、底物配比和催化剂量对苯乙烯双羟化反应的影响。在优化的反应条件下,以过氧叔丁醇为氧化剂得到苯乙烯双羟化反应的转化率、化学选择性和分离产率分别为85.2%、70.7%和53.3%。并探讨了可能的催化机理以及改进方向。