基于乳液聚合法的纳米金@多孔碳泡沫的同步原位可控合成及对重金属离子的电化学检测研究

Gold nanoparticles @ carbon-based composite materials have important applications in the fields of adsorption and catalysis, as well as environmental monitoring. In this project, we aim to construct high-stable oil-in-water emulsion polymerization system based on the two strategies of the viscoelasticity of emulsion interfacial films and electrostatic effect, in which HAuCl4-doped phenol polymer compounds are to be formed from the acid-catalytic self-assembled polymerization of hydrophilic moieties of cationic surfactant and AuCl4-adsorbed monomers. The final synchronous in-situ carbonization-reduction give inter-connected porous carbon foams with the gold nanoparticles uniformly embedded in the pore walls. It establishes a method for the controlled synthesis of gold nanoparticles @ porous carbon foams (Au NPs@PCFs) through the emulsion polymerization and synchronous in-situ carbonization-reduction. The further modification of the Au NPs@PCFs surfaces by the introduction of active functional groups on monomer molecules will improve the wettability and increase the effective electro-active sites on the surface. It is to reveal the relationship of heavy metal ion electrochemical sensing properties-structure-synthesis conditions of Au NPs@PCFs, and to establish the controlled synthesis technology of Au NPs@PCFs with rapid detection, high selectivity, low limit of detection performances, as well as to develop the methodology for structural design and controlled synthesis of nanoparticles @ porous carbon foams through emulsion polymerization and synchronous carbonization-reduction. This project will provide a new strategy and theory for the structural design and controlled synthesis of functionalized advanced materials.

纳米金@碳基复合材料在吸附与催化、环境监测等领域具有重要应用前景。本项目基于乳液界面膜的粘弹性和静电效应两种策略构筑高稳定性的O/W乳液聚合体系，利用阳离子表面活性剂亲水端与吸附有氯金酸根离子的单体分子间的共组装作用，经酸催化聚合合成氯金酸与酚醛聚合物的复合物，通过同步原位碳化还原使金纳米粒子均匀地镶嵌在孔洞互通的碳泡沫孔壁上，建立基于乳液聚合-同步原位碳化还原法的纳米金@多孔碳泡沫的可控合成方法；引入活性官能团对纳米金@多孔碳泡沫进行表面修饰，提高润湿性能，增加表面有效电活性位点；揭示纳米金@多孔碳泡沫对重金属离子电化学检测特性-结构-合成条件的关联规律性，建立具有快速检测、高选择性、低检测限等性能的纳米金@多孔碳泡沫的可控合成技术。发展基于乳液聚合-同步原位碳化还原法的纳米粒子@多孔碳泡沫复合材料的结构设计和可控合成的方法学，为实现先进功能材料的结构设计和可控合成提供新的方法和理论。

乳液/微乳液法是制备多孔碳及其复合材料的有效方法之一，表面活性剂的结构是调节纳米材料形貌的关键因素。构建形貌可控，活性位点充分暴露的碳基/碳基复合材料电化学传感器，对实时监测环境中的重金属离子污染问题具有特殊意义。本项目主要进行了以下三个方面的研究：.（1）传统的制备方法都是基于改变单一表面活性剂的浓度来调控碳基纳米材料的粒径以及形貌，与传统的方法不同，我们研究了非离子表面活性剂亲水链基团的长度对于所制备的碳纳米球粒径的影响规律，制备得到碳纳米球的粒径在一定范围内随着亲水链长度的增大而减小。本工作为碳基纳米材料的可控制备提供了新的合成策略，并且对于其它纳米材料（如金属氧化物、硫化物等）的合成也具有一定的启发性。.（2）受前面工作的启发，我们发现硫醇化合物的烷基链长对纳米金@介孔碳复合材料的结构，比如纳米金的粒径大小、分散情况和碳材料的孔结构、尺寸具有一定的影响规律。当酚醛树脂低聚物被添加到硫醇和HAuCl4的混合溶液中时，低聚物自身发生交联，并与硫醇链迅速反应，从而在抑制纳米金的聚集。因此，硫醇的烷基链长度越长，Au前驱体的水合离子半径之间的间距越大，金纳米颗粒反而越小。该复合材料作为修饰电极对重金属离子的检测呈现良好的性能。.（3）我们提出了一种低浓度水热合成碳纳米球的方法。该方法操作简单且无需任何催化剂，合成的碳纳米球具有单分散、粒径均匀、表面光滑的特点。通过进一步引入非离子表面活性剂来减小碳纳米球的粒径，其用于修饰玻碳电极对Cu2+和Hg2+有较高的检测性能。此外，在共检测实验中发现这两种离子的电化学性能具有相互促进作用。通过添加少量的离子，提高了其检测灵敏度，为高选择性、高灵敏度的电化学检测重金属离子提供了一种新的研究策略。.项目期间共计发表SCI收录论文8篇和申请国家发明专利2项，达到预期的研究目标。我们期望该工作为未来制备具有大规模应用前景的新型高效电化学传感材料提供理论依据。