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

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。