银纳米粒子对芳香族硝基化合物的催化还原性能研究及功能性粒子的合成与应用

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金属纳米粒子由于它们独特的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、库仑堵塞与量子隧穿、介电限域效应等,使它们在传感器、催化、纳米器件、光学开关等方面具有广泛的应用前景。研究发现,纳米催化剂在合成氨、环境保护、水处理、光纤和机械工业等领域具有较强应用价值。贵金属纳米粒子由于其独特的表面结构、几何学特点和电子特性使之具有较高的催化活性和产物选择性,金属纳米粒子催化氧化还原反应实质是以金属纳米粒子为电子传输媒介,电子通过金属纳米粒子由还原剂传递到氧化剂,且催化还原反应与金属粒子和氧化物之间的电势差密切相关。电势差越大,催化反应速率越高。具有两种或多种不同纳米物质组成的纳米功能材料,由于可集合各物质的独特性质已引起科学工作者的浓厚兴趣。磁性纳米粒子在生物学和医学等领域都具有潜在的应用价值,如药物传递、过高温处理、磁共振对比增强、细胞和脱氧核糖核酸分散及基因克隆等,而金、银纳米粒子在催化领域发展潜力巨大,特别是在电催化和生物电催化方面具有较强应用价值。因此,若能把金、银纳米粒子的表面性质与磁性纳米粒子的磁性质综合利用,将有利于拓宽研究领域,创造更具效益的功能材料。基于以上背景,本论文的研究目的是利用化学还原法制备不同尺寸,粒径均匀的银纳米粒子;并以此为催化剂,通过还原剂和电化学驱动两种方式催化还原硝基化合物,研究催化剂的催化性能;制备核壳结构的金包裹四氧化三铁和银包裹四氧化三铁纳米粒子催化还原硝基化合物。本论文的工作有以下三个方面:1.银纳米粒子制备:化学还原法合成银纳米粒子,通过控制反应时间,制备了稳定、单分散、粒径均匀的不同尺寸银纳米粒子,并通过透射电镜、紫外可见光谱进行表征。2.银纳米粒子催化还原硝基化合物:以硼氢化钠为还原剂,对硝基苯胺、对硝基苯酚等硝基化合物为氧化剂,银纳米粒子为催化剂进行反应,反应过程采用紫外可见吸收光谱现场跟踪;;研究了氧化剂自身性质、反应机理以及银纳米粒子浓度、粒径对催化性能的影响。3.具有核壳结构的金、银包裹四氧化三铁功能粒子的合成:采用共沉积法合成了磁性四氧化三铁粒子,用柠檬酸钠还原法合成金、银纳米粒子,以巯基硅烷为桥梁连接四氧化三铁和金、银纳米粒子,通过多步还原合成核壳结构的金包裹四氧化三铁和银包裹四氧化三铁纳米粒子。研究结果表明:(1)制得的不同粒径银纳米粒子为球型,粒径均匀、分散性和稳定性能良好。(2)银纳米粒子能够催化还原多种硝基化合物。银纳米粒子对对硝基苯酚和对硝基苯胺催化还原的实质是硝基化合物吸附于银纳米粒子表面,通过银纳米粒子的电子传输媒介作用,实现了电子从还原剂向氧化剂的转移。催化还原反应受氧化剂自身性质、催化剂浓度和粒径影响,亲电子性氧化剂较亲核性氧化剂更易吸附在银纳米粒子表面,催化剂浓度越高,粒径越小,反应速度越大。(3)制得了核壳结构的功能性金、银包裹四氧化三铁纳米粒子,通过TEM、XRD和紫外可见光谱表征这两种化合物,并验证了这两种粒子对两种硝基化合物的催化还原性能。
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