单链聚合物纳米粒子及其在油-水界面催化反应中的应用研究

基于现有的水/油两相催化反应体系中存在的"反应速率受扩散控制而下降"的问题，本项目提出将催化剂"锁定"在水/油乳液界面并在界面进行催化反应，以提高催化反应速率及催化效率。具体做法是采用嵌段共聚物单分子链内化学交联方法制备出两亲性、尺寸较小的单链聚合物纳米粒子，将催化剂负载到制备的两亲性的单链聚合物纳米粒子交联的核上；然后将负载有催化剂的单链聚合物纳米粒子用于稳定水/油乳液。采用本方法进行界面催化反应时极性不同的反应物可分别溶解在水及油相中，同时聚合物提供催化剂所需要的微环境。本研究拓展和深化了单链聚合物纳米粒子的研究领域，有望探索出一种高效水/油两相界面催化反应新思路，具有一定的理论和实际意义。

本研究项目围绕单分子链聚合物纳米粒子的制备及其油水界面催化反应应用开展了以下四个方面研究：(1) 单分子链蝌蚪状聚合物纳米粒子(TSCPNs)的制备、表征及其稳定乳液应用。采用单分子链内化学交联二嵌段共聚物PMMA2250-b-P4VP286的可反应P4VP嵌段，制备TSCPNs。以TSCPNs为乳化剂制备水/氯苯乳液,并以水/氯苯乳液为介质，对油水界面异相反应进行了研究。(2) TSCPNs稳定的高内相Pickering乳液制备及应用研究。以(1)中获得的TSCPNs为乳化剂制备水/油高内相乳液。其中水为分散相、苯乙烯/二乙烯为连续相。聚合固化外连续相得到polyHIPE泡沫材料。以polyHIPE为载体负载金属Pd纳米粒子，并以得到的Pd@polyHIPE为催化剂催化苯硼酸与碘苯之间的反应；(3) N-和O-共掺杂的碳泡沫的制备及其催化甲醇电化学氧化反应应用。以TSCPNs稳定的水/(丙烯腈+二乙烯基苯)高内相乳液为模板，经聚合固化、交联、高温煅烧后得到N-和O-共掺杂的三维多孔碳泡沫（CarboHIPE）。以CarboHIPE为载体负载Pt、Ru双金属纳米粒子，并将得到的PtRu/CarboHIPE用于催化甲醇电化学氧化反应；(4) TSCPNs的功能化修饰、组装及组装体应用。采用单分子链内化学交联二嵌段共聚物PS4615-b-P4VP1381的P4VP嵌段，制备TSCPNs。向TSCPNs交联的头部接枝聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）聚合物，并经溶剂诱导自组装方法实现TSCPN-g-PVP在水中自组装，得到结构规整聚合物超级粒子。以获得的超级粒子为载体负载Pt纳米粒子并用于催化H2O2的电化学还原反应。研究获得以下结果：(1)借助二嵌段共聚物非交联嵌段位阻屏蔽作用，分子链内交联反应可在相对较高聚合物浓度下进行；(2) 非对称结构的TSCPNs具有较高的界面活性；(3) 以TSCPNs稳定的高内相乳液为模板可制备N-和O-共掺杂的3D多孔的部分石墨化碳泡沫，方法简单、成本低；(4) TSCPN-g-PVP在水中自组装形成的超分子聚集体的形貌明显不同于其嵌段共聚物前体形成的球形胶束，显示出两者存在不同的组装机制。本项目研究发展了一种简便、高效的TSCPNs合成方法，实现了TSCPNs的功能化改性及在水中超分子组装，并探索出TSCPNs在乳液领域应用。