基于Langmuir-Blodgett技术研究粘土矿物负载界面离子液体催化材料的形成机制

界面离子液体（IL）负载型催化剂以其优异的催化性能以及少的IL用量成为近年来催化材料领域研究热点之一。本研究拟采用Langmuir-Blodgett（LB）技术，通过在粘土矿物稀悬浮液的气液界面上形成IL/粘土矿物二组分与IL/粘土片层/催化剂三组分的Langmuir复合膜，实现粘土矿物负载界面IL催化材料LB膜的构筑。通过研究Langmuir膜的形成过程，可实时监测IL分子、催化剂分子或纳米颗粒在粘土矿物表面上吸附过程，将溶液体系中复杂的吸附过程转变为表层Langmuir膜的吸附与分子重排，实现过程物化数据的简捷测定；并在特定表面压力下沉积得到有序结构的LB膜催化材料，通过对LB膜的定性、定量化分析以及电化学催化特性的研究，阐明粘土矿物负载界面离子液体催化剂的形成机制及各组分协同催化机理。本项研究为IL负载型催化剂在分子水平上的设计提供科学依据。

本项目通过表面化学方法，即Langmuir-Blodgett（LB）技术，研究了界面IL负载型催化剂的形成过程，并采用电化学方法澄清了IL与催化剂活性组分的“协同催化”机制。通过在粘土矿物稀悬浮液的气液界面上构建IL/粘土矿物二组分与IL/粘土片层/催化剂三组分的Langmuir复合膜，实现了粘土矿物负载界面IL催化材料的“界面”构筑。考察了Langmuir膜表面压的变化，实时监测到IL分子、催化剂分子或纳米颗粒在粘土矿物表面上吸附过程，将溶液体系中复杂的吸附过程转变为表层Langmuir膜的吸附与分子重排，实现了过程物化数据的简捷测定。通过对LB膜的定性、定量化分析以及电化学催化特性的研究，阐明了各组分协同催化机理。实现发现：碳原子数超过六烷基取代咪唑IL与稀释粘土分散液可以形成稳定的Langmuir单分子层，测定表面压力随时间变化（π-t）动力学曲线发现IL或Pt纳米晶与粘土片层能在200秒内达到吸附达到平衡，该过程的吉布斯自由能变化（-dG）为5.27~10.82 kJ•mol-1。催化剂Pt纳米晶中被Langmuir膜吸附，Langmuir膜压缩过程中有两个相变点，其MLA（lift-off area）为0.83 nm2，代表Pt催化剂的初始挤压。另一相转变点的MLA小于0.33 nm2，该相变点表示Pt被彻底压出。研究中采用了两种方法（表面化学方法（T，π-π-A）和光谱法（UV-Vis, AAS））对LB中各组分进行定量化，钠皂石为载体的LB膜的C16MIM吸附量为0.646纳克·毫米-2，锂皂石为载体则具有更高的吸附容量。衰减全反射（ATR）傅立叶变换红外光谱（FTIR）证实了IL在二组分LB膜中享有较高的有序度。项目成果不仅为新型IL负载型催化剂的设计提供了详实的物化数据，同时也为其他类别的催化剂或半导体纳米晶，如：生物催化剂（溶解酵素、血清白蛋白）二级结构，II-V族量子点的高沸点溶剂中合成与自组装提供了研究方法。相关论文发表在J. Phys. Chem. C 2013；J. Phys. Chem. B. 2014；Adv. Opt. Mater. 2014；Sci. Rep. 2014；Small 2013；ACS Nano 2012；J. Mol. Cata. A. 2014；及Sci. China Chem. 2012等期刊上。