基本信息
- 项目名称：
- 新型智能金纳米颗粒的合成及催化应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 智能型聚合物包裹纳米材料可以保持纳米材料的稳定性，赋予它优异的新结构、新性质和新应用。我们成功地将葡聚糖与聚异丙基丙烯酰胺聚合，开发了简单有效制备智能型金纳米颗粒的方法。首先，以葡聚糖为主链的聚合物极大地提高了金纳米颗粒的稳定性。此外，此金纳米颗粒溶液的颜色、透明度和催化活性与温度紧密相关。更重要的是，不改变聚合单体和纳米颗粒前驱体，此方法还可以用于制备多种高稳定性和智能性的新型纳米材料。
- 详细介绍：
- 智能型聚合物包裹纳米材料的方法引领了一个全新的研究方向，这种方式不仅可以保持纳米材料的稳定性，还可以赋予它优异的新结构、新性质和新应用，而这些性质只能通过结合具有不同性质的化合物来获得。我们将温敏性的聚异丙基丙烯酰胺作为支链嫁接到具有超支化结构的大分子葡聚糖上，合成新型温敏性聚合物。通过一步合成法分别将合成的聚合物和纳米金前驱体（氯金酸）转化为以巯基为末端聚合物和金纳米颗粒，同时利用化学键将两者相连，从而制得稳定的温敏性金纳米颗粒。首先，以葡聚糖为主链的聚合物（DexPNI）极大地提高了金纳米颗粒的稳定性。葡聚糖鲜为人知的优点在于的超支化结构，可以为纳米材料提供了更稳定的包裹层。被包裹在DexPNI网络中的金纳米颗粒在加热、高盐含量和极端pH情况下具有长时间的稳定性，极大地促进了金纳米颗粒在纳米传感器、药物传递和催化系统中的广泛应用。此外，此金纳米颗粒溶液的颜色、透明度和催化活性与温度紧密相关。这些温度响应性的特征不仅可以用于随温度变化调节反应速度，还可以作为光学警报器，并且在需要时可以自动地使反应停止。与之前报道的扩散控制的微反应器相比，我们研制的金纳米颗粒不仅能够控制在32～35℃之间逐步降低反应速率，并且当温度高于35 ℃可以进一步使反应停止。这种温度敏感的性质可以用于构建新型智能感应器和催化剂，当反应温度意外高于限定值时作为温度报警器和自动开关器。更重要的是，此方法不仅仅局限于应用异丙基丙烯酰胺和氯金酸的聚合单体和纳米颗粒前驱体，还可以用于制备多种高稳定性和智能性的新型纳米材料。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 作品目的是通过简便易行的方法合成具有高稳定性和优异温度敏感性的金纳米颗粒，并探索其作为温度敏感性催化剂的实用价值。实验的基本思路是将温敏性的聚异丙基丙烯酰胺作为支链嫁接到具有超支化结构的大分子葡聚糖上，通过一步合成法分别将合成的聚合物和纳米金前驱体（氯金酸）转化为以巯基为末端聚合物和金纳米颗粒，同时利用化学键将两者相连，从而制得稳定的温敏性金纳米颗粒。
科学性、先进性及独特之处
- 本作品优点在于研制出了通过一步法合成的稳定性强并具有良好温度敏感性的金纳米颗粒。制备方法简单便捷快速。金纳米颗粒在高浓度的盐溶液和不同PH值下能够保持稳定，并能够通过冻干等手段保存。金纳米颗粒具有良好的温度敏感性。当温度超过临界温度，金纳米颗粒发生聚沉，粒径增大。粒径小于3nm的金纳米颗粒在不同温度下催化活性不同，使用此金纳米颗粒可以控制不同温度下的反应速率，防止反应在过高温度下进行。
应用价值和现实意义
- 首先，本作品简化了金纳米颗粒的制备方法，适合、大规模生产。其次，本作品、提高了金纳米颗粒的稳定性，扩大了金纳米颗粒的应用范围。此外，本作品探索了金纳米颗粒作为温敏性催化剂的实际应用潜力。有些化学反应需要在一定温度范围内进行，温度过高可能会产生副产物，或者引起安全事故。本作品合成的温敏性金纳米颗粒超过一定温度范围范围纳米金就会失去催化活性，自动停止反应，同时通过催化剂颜色和透明度的变化发出警告。
学术论文摘要
- 目前，我们利用聚异丙基丙烯酰胺(poly(N-isopropylacrylamide)，PNIPAAm)接枝的大分子葡聚糖(DexPNI)，开发了高稳定性的智能型金纳米颗粒的一步制备方法。我们以硼氢化钠为还原剂，DexPNI作为成核剂和稳定剂，金纳米颗粒可以在室温下短时间合成。金纳米颗粒的不同特性，例如它们的形状，光学性质，和温度敏感性质与金原子前体的剂量有关。稳定的金纳米颗粒不仅在加热、高盐含量和极端pH情况下展示了极好的稳定性，而且冻干后可以很快再分散。不同温度下的紫外光谱和金纳米颗粒催化4-硝基苯酚还原的反应动力学分析显示金纳米颗粒的光学性质和催化活性与温度紧密相关。与之前报道的扩散相关的微反应器相比，我们研制的金纳米颗粒不仅能够控制在32～35℃之间逐步降低反应速率，并且当温度高于35 ℃可以进一步使反应停止。这种温度敏感的性质可以用于构建新型智能感应器和催化剂，当反应温度意外高于限定值时作为温度报警器和自动开关器。更重要的是，此方法不仅仅局限于应用异丙基丙烯酰胺和氯金酸的聚合单体和纳米颗粒前驱体，还可以用于制备多种高稳定性和智能性的新型纳米材料。
获奖情况
- 论文Robust and smart gold nanoparticles: one-step synthesis, tunable optical property, and switchable catalytic activity 发表于2011年第21期 Journal of Materials Chemistry（影响因子IF=4.795），第6173-6178页，并将作为封底文章发表。
鉴定结果
- 属实
参考文献
- 1. Y. G. Sun and Y. N. Xia, Science, 2002, 298, 2176-2179. 2. C. M. Cobley, J. Chen, E. C. Cho, L. V. Wang and Y. Xia, Chem. Soc. Rev., 2011. 3. J. N. Anker, W. P. Hall, O. Lyandres, N. C. Shah, J. Zhao and R. P. Van Duyne, Nat. Mater., 2008, 7, 442-453. 4. M. Haruta, Nature, 2005, 437, 1098-1099. 5. A. S. K. Hashmi and G. J. Hutchings, Angew. Chem., Int. Ed., 2006, 45, 7896-7936. 6. D. Giljohann, D. Seferos, W. Daniel, M. Massich, P. Patel and C. Mirkin, Angew. Chem., Int. Ed., 2010, 49, 3280-3294. 7. J. Shan and H. Tenhu, Chem. Commun., 2007, 4580-4598. 8. M. A. C. Stuart, W. T. S. Huck, J. Genzer, M. Muller, C. Ober, M. Stamm, G. B. Sukhorukov, I. Szleifer, V. V. Tsukruk, M. Urban, F. Winnik, S. Zauscher, I. Luzinov and S. Minko, Nat. Mater., 2010, 9, 101-113. 9. M. Karg and T. Hellweg, J. Mater. Chem., 2009, 19, 8714-8727. 10. X. Y. Liu, F. Cheng, Y. Liu, W. G. Li, Y. Chen, H. Pan and H. J. Liu, J. Mater. Chem., 2010, 20, 278-284.
同类课题研究水平概述
- 由于金纳米颗粒独特的物化性质，金纳米颗粒引起广泛的科研兴趣，纳米颗粒在光学、生物、电子和催化等多重领域有潜在应用价值。在使纳米材料真正应用于工业生产之前，纳米材料需要具有足够的稳定性，因为防止自发聚沉和降解是利用纳米材料的关键。目前，聚合物包裹纳米材料的方法指引了一个全新的研究方向，这种方式不仅可以保持纳米材料的稳定性，还可以赋予它令人激动的新结构、新性质和新应用，而这些性质只能通过结合具有不同性质的化合物而获得。作为一个令人惊喜的研究分支，智能型聚合物包裹的金纳米颗粒胶体溶液引起了特别的关注，因为它们能够响应环境刺激的变化（例如温度和pH的变化），可逆性的改变它们的性质。然而，为了扩展金纳米颗粒的应用，需要合成能够耐受极端环境的智能型金纳米颗粒，特别是在室温下短时间合成，这仍然是一个挑战性的课题。因此，利用专门设计的由多种不同聚合物组合而成的多功能聚合物，开发一种简便的方法制备高稳定性的智能型金纳米颗粒，显得至关重要。 由于葡聚糖独特的生物性质（如生物兼容性，生物可降解性等），它是一种生物医学领域常用的天然多糖分子。葡聚糖另一个重要但是容易被忽视的性质是它的超支化结构，可以为纳米材料提供了更稳定的包裹。最近，葡聚糖开始用于制造一系列稳定和生物兼容的纳米材料。因此，可以使用葡聚糖与常用温敏性聚合物的共聚物来制备高稳定性的智能型金纳米颗粒。 金属纳米颗粒已经被成功包载在交联的、基于PNIPAAm的水溶胶中，来制备温度响应性的微反应器，以作为催化活动的反相温度响应调节器（当温度升高时反应活性降低）。然而，以上这两种扩散控制的系统都不能使反应在不理想的温度下停止，以达到避免副反应、使反应在安全温度内进行的目的。考虑到金纳米颗粒聚集为更大的粒子会丧失催化活性，我们预期，我们研制的金纳米颗粒被约束在非交联的DexPNI链中，也许可以通过温度引发的、空间上“没有限制”的金纳米颗粒的聚合使反应停止。
