金团簇和纳米粒子的合成、表征及应用

论文摘要

近二十年来,Au纳米粒子以其独特的化学、光学、电子和电学特征,在催化、化学传感器、生物传感器、新型纳米光子和电子器件等领域中有着很大的应用潜力。纳米Au已有多种制备方法,生物合成方法以其干净、无毒和环境友好的优点成为一种可能的纳米构造技术。将单层保护Au团簇和纳米粒子（monolaycr-protected Au clusters,Au MPCs）自组装在电极上,研究自组装AuMPCs电极界面的电化学性质,有利于促进Au团簇和纳米粒子组装体在基础研究和技术应用方面的运用。同时,将纳米Au溶胶负载在载体上制备Au催化剂,是一个十分有应用前景的构造高活性催化剂的制备技术。本文除了采用二相体系法合成Au MPCs以外,着重用生物法合成了AuMPCs,通过在制备过程中调控反应时间和加入粒子的保护剂,初步实现了粒子尺寸大小,尺寸分布和形状的控制。采用循环伏安法、示差脉冲伏安法、电化学阻抗谱技术研究自组装MPCs电极界面的结构和纳米尺度电极界面的电化学性质。提出一种经修改后的溶胶负载法——“逐次浸润”法,将Au MPCs负载在载体上制备用于催化CO氧化的纳米Au催化剂,用透射电镜、X射线光电子能谱和红外光谱对催化剂形貌和结构进行表征,并对其催化活性进行评价。本文的主要研究结果如下:一.单层保护Au团簇和纳米粒子的合成及其自组装电极的制备1.利用巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium,菌号D01）和地衣芽孢杆菌（Bacilluslicheniformis,菌号R08）作为还原剂,分别以十二烷基硫醇和巯基乙酸钠作为保护剂,生物合成了单分散的Au MPCs。研究结果表明反应时间和保护剂是影响纳米Au尺寸、形状和分散度的重要因素,并初步实现了尺寸大小,尺寸分布和形状的控制。2.采用二相体系法分别合成出辛烷基硫醇和十二烷基硫醇单层保护Au团簇和纳米粒子(C8Au MPCs和C12Au MPCs),制备自组装MPCs电极。二.研究自组装MPCs电极的量子化电容充电效应及其界面的电化学性质:1.利用循环伏安法和示差脉冲伏安法研究自组装MPCs在常温下0.1mol·L-1TBAP的二氯甲烷溶液中的量子化电容充电效应,发现Au核平均直径均为1.6nm的C8Au MPCs和C12Au MPC在-0.8-0.8V电位区间内分别有4个和5个明显的量子化电容充电峰。MPCs的双电层电容总的变化趋势为:在零电荷电位（ca.-0.2V）附近最小,随着电位正移或负移电容变大,双电层结构呈现存在分散双电层特征。同时,研究了Au核尺寸对MPCs量子化电容充电的影响,发现随着Au核尺寸的增大,MPCs量子化双电层电容值也变大。2.采用电化学阻抗谱对C8Au MPCs修饰金电极体系的界面结构进行表征,结果表明,MPCs自组装层存在二个界面,即金电极-MPCs层界面和MPCs层-溶液界面;该二界面的界面电容在MPCs的零电荷电位附近均基本保持不变,随着电位正移或负移到一定程度,界面电容发生变化。进一步利用金属岛单电子过程理论讨论了Murray和Chen对MPCs量子化电容充电的理论分析结果,证明电化学阻抗谱也是研究MPCs量子化电容充电效应的有效方法。3.用示差脉冲伏安法研究支持电解质浓度对MPCs量子化电容充电特征的影响,发现支持电解质的浓度影响MPCs量子化充电峰的峰电流和背景电流大小,且明显影响电极“裸”表面-溶液界面的界面电容,但是对MPCs的双电层电容几乎没有影响。4.用示差脉冲伏安法及循环伏安法研究电活性物种二茂铁对C8Au MPCs量子化电容充电的影响,发现溶液中的电活性物种对MPCs量子化电容充电的电流贡献小,表明该界面的电容充电电流可能主要来自于纳米粒子之间的电子传递。三.用于低温CO氧化反应的nano-Au/γ-Al2O3催化剂1.提出一种经修改后的溶胶负载法——“逐次浸润”法,用不同链长的烷基硫醇单层保护的Au纳米粒子(C8Au MPCs和C12Au MPCs)的正己烷溶胶作为浸渍液制备一系列单分散的nano-Au/γ-Al2O3催化剂。2.所制得的Au催化剂前体C8Au MPCs/γ-Al2O3和C12Au MPCs/γ-Al2O3表面Au粒子平均粒径均可控制在2-3nm范围内,且分布比较单一;催化剂活性评价450h（或600h）后,其表面Au的粒径仍主要分布在2-4nm范围内。XPS结果表明,Au的价态是由金属态和氧化态组成的。3.真空干燥温度影响Au催化剂的粒子尺寸和催化活性。随着真空干燥温度的提高,Au纳米粒子的粒径增大。经25℃真空干燥的nano-Au/γ-Al2O3催化剂比经40℃和60℃干燥的有着更高的低温CO氧化活性。4.活化处理温度影响Au催化剂的催化活性。经180-190℃活化处理的nano-Au/γ-Al2O3催化剂比经165℃和250℃活化的有着明显更高的低温催化CO氧化的活性。5.催化活性评价结果表明,2.0wt%nano-Au/γ-Al2O3催化CO完全转化的最低温度为-16℃,在15℃和0℃下CO完全转化的单程寿命分别至少800h和600h,甚至当温度下降到-5℃,催化CO完全转化也能至少恒定450h不变;4.0wt%Au/γ-Al2O3在15℃和进料中含水条件下对CO完全氧化的单程寿命不低于2000h,可见催化剂具有较高的活性、长期稳定性和强的抗潮湿中毒特性。综合上述实验结果,讨论了影响Au/γ-Al2O3催化剂活性的可能因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1.1 Au的物理化学性质
• §1.2 Au纳米粒子的物理化学性质
• §1.2.1 表面等离子激元共振特性
• §1.2.2 量子化电容充电行为
• §1.2.3 荧光特性
• §1.2.4 超分子与分子识别特性
• §1.2.5 吸附特性
• §1.3 Au纳米粒子的制备
• §1.3.1 制备方法
• §1.3.1.1 物理方法
• §1.3.1.2 化学方法
• §1.3.1.3 生物方法
• §1.3.2 Au纳米粒子的表面修饰
• §1.3.2.1 生物分子保护的Au纳米粒子
• §1.3.2.2 绿色试剂保护的Au纳米粒子
• §1.3.2.3 聚合物保护的金纳米粒子
• §1.3.2.4 树枝状大分子保护的Au纳米粒子
• §1.4 Au纳米粒子的组装
• §1.4.1 LB技术
• §1.4.2 自组装法
• §1.4.3 电沉积组装技术
• §1.5 Au纳米粒子的应用
• §1.5.1 Au纳米粒子在生物电化学传感器中的应用
• §1.5.1.1 Au纳米粒子修饰电极上固定化蛋白质的直接电子传递和第三代生物电化学传感器
• §1.5.1.2 Au纳米粒子在电化学基因传感器中的应用
• §1.5.1.3 Au纳米粒子在电化学免疫传感器中的应用
• §1.5.2 纳米金催化剂
• §1.5.2.1 Au纳米粒子在化学催化中的应用
• §1.5.2.2 Au纳米粒子在电催化和电化学传感器中的应用
• §1.5.3 纳米光子和电子器件
• §1.5.3.1 光子器件
• §1.5.3.2 电子器件
• §1.6 本论文的研究目的
• 参考文献
• 第二章 实验
• §2.1 主要试剂
• §2.2 电极
• §2.3 实验条件
• §2.4 实验仪器
• 第三章 单层保护Au团簇和纳米粒子的合成及其自组装电极的制备
• §3.1 前言
• §3.2 生物合成单分散Au纳米粒子
• §3.2.1 巨大芽孢杆菌D01生物合成Au纳米粒子
• §3.2.1.1 巨大芽孢杆菌D01的制备
• §3.2.1.2 D01菌体吸附还原试验
• 3+的AAS表征'>§3.2.1.3 D01菌体吸附Au³⁺的AAS表征
• 3+的UV-vis吸收光谱表征'>§3.2.1.4 D01菌体吸附Au³⁺的UV-vis吸收光谱表征
• 3+的TEM表征'>§3.2.1.5 D01菌体吸附Au³⁺的TEM表征
• §3.2.1.6 单分散的Au纳米粒子的制备和表征
• §3.2.2 地衣芽孢杆菌R08生物合成Au纳米粒子
• §3.2.2.1 地衣芽孢杆菌R08的制备
• §3.2.2.2 R08菌体吸附还原试验
• 3+的UV-vis吸收光谱表征'>§3.2.2.3 R08茵体吸附Au³⁺的UV-vis吸收光谱表征
• §3.2.2.4 反应时间对Au纳米粒子的尺寸、形状和分散度的影响
• §3.2.2.5 巯基乙酸钠对Au纳米粒子粒径的影响
• §3.2.2.6 单分散Au纳米粒子的制备和表征
• §3.3 二相体系法合成单层保护Au团簇和纳米粒子
• §3.4 自组装单层保护Au团簇修饰金电极的制备及表征
• §3.4.1 自组装单层保护Au团簇修饰金电极的制备
• §3.4.2 自组装单层保护Au团簇修饰金电极的STM表征
• §3.5 结论
• 参考文献
• 第四章 自组装单层保护Au团簇和纳米粒子（RAu MPCs）的量子化电容充电
• §4.1 前言
• §4.2 自组装MPCs量子化电容充电和界面结构
• §4.2.1 自组装MPCs量子化电容充电
• §4.2.2 自组装MPCs修饰金电极体系的界面结构
• §4.3 纳米尺度电极界面的双电层电容和双电层结构研究
• §4.3.1 溶胶型MPCs的双电层电容
• §4.3.2 自组装MPCs的双电层电容
• §4.3.3 Au核尺寸对自组装MPCs双电层电容的影响
• §4.4 支持电解质浓度及电活性物种对量子化电容充电的影响
• §4.4.1 支持电解质浓度对量子化电容充电的影响
• §4.4.2 电活性物种对量子化电容充电的影响
• §4.5 结论
• 参考文献
• 2O₃催化剂的制备、表征及其低温催化CO氧化性能'>第五章 纳米Au/γ-Al₂O₃催化剂的制备、表征及其低温催化CO氧化性能
• §5.1 前言
• 2O₃'>§5.2 用十二烷基硫醇单层保护Au纳米粒子制备CO氧化催化剂Au/γ-Al₂O₃
• 2O₃的制备和表征'>§5.2.1 nano-Au/γ-Al₂O₃的制备和表征
• 12Au MPCs/γ-Al₂O₃催化剂前体的制备'>§5.2.1.1 C₁₂Au MPCs/γ-Al₂O₃催化剂前体的制备
• 12Au MPCs/γ-Al₂O₃催化剂前体的活化处理'>§5.2.1.2 C₁₂Au MPCs/γ-Al₂O₃催化剂前体的活化处理
• 2O₃的TEM表征'>§5.2.1.3 nano-Au/γ-Al₂O₃的TEM表征
• 2O₃的XPS表征'>§5.2.1.4 nano-Au/γ-Al₂O₃的XPS表征
• 2O₃催化CO氧化性能的评价'>§5.2.2 nano-Au/γ-Al₂O₃催化CO氧化性能的评价
• §5.2.2.1 活性评价程序
• §5.2.2.2 Au负载量对催化剂活性的影响
• §5.2.2.3 活化处理温度对催化剂活性的影响
• 2O₃催化氧化CO的稳定性'>§5.2.2.4 nano-Au/γ-Al₂O₃催化氧化CO的稳定性
• 2O₃催化剂'>§5.3 用辛烷基硫醇单层保护Au纳米粒子制备CO氧化Au/γ-Al₂O₃催化剂
• 2O₃的制备和表征'>§5.3.1 nano-Au/γ-Al₂O₃的制备和表征
• 8Au MPCs/γ-Al₂O₃催化剂前体的制备'>§5.3.1.1 C₈Au MPCs/γ-Al₂O₃催化剂前体的制备
• 8Au MPCs/γ-Al₂O₃催化剂前体的活化处理'>§5.3.1.2 C₈Au MPCs/γ-Al₂O₃催化剂前体的活化处理
• 2O₃的TEM表征'>§5.3.1.3 nano-Au/γ-Al₂O₃的TEM表征
• 2O₃催化CO氧化性能的评价'>§5.3.2 nano-Au/γ-Al₂O₃催化CO氧化性能的评价
• §5.3.2.1 活性评价程序
• 2O₃催化剂活性的影响'>§5.3.2.2 真空干燥温度对Au/γ-Al₂O₃催化剂活性的影响
• 2O₃催化氧化CO的稳定性'>§5.3.2.3 nano-Au/γ-Al₂O₃催化氧化CO的稳定性
• 2O₃催化剂活性的影响'>§5.3.2.4 水对Au/γ-Al₂O₃催化剂活性的影响
• §5.4 催化剂活性高的原因
• §5.5 影响催化剂活性因素的初步探讨
• §5.6 结论
• 参考文献
• 附录 作者攻读博士学位期间发表与交流的论文
• 致谢