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基本信息

項(xiàng)目名稱：
新型智能金納米顆粒的合成及催化應(yīng)用
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
智能型聚合物包裹納米材料可以保持納米材料的穩(wěn)定性，賦予它優(yōu)異的新結(jié)構(gòu)、新性質(zhì)和新應(yīng)用。我們成功地將葡聚糖與聚異丙基丙烯酰胺聚合，開(kāi)發(fā)了簡(jiǎn)單有效制備智能型金納米顆粒的方法。首先，以葡聚糖為主鏈的聚合物極大地提高了金納米顆粒的穩(wěn)定性。此外，此金納米顆粒溶液的顏色、透明度和催化活性與溫度緊密相關(guān)。更重要的是，不改變聚合單體和納米顆粒前驅(qū)體，此方法還可以用于制備多種高穩(wěn)定性和智能性的新型納米材料。
詳細(xì)介紹：
智能型聚合物包裹納米材料的方法引領(lǐng)了一個(gè)全新的研究方向，這種方式不僅可以保持納米材料的穩(wěn)定性，還可以賦予它優(yōu)異的新結(jié)構(gòu)、新性質(zhì)和新應(yīng)用，而這些性質(zhì)只能通過(guò)結(jié)合具有不同性質(zhì)的化合物來(lái)獲得。我們將溫敏性的聚異丙基丙烯酰胺作為支鏈嫁接到具有超支化結(jié)構(gòu)的大分子葡聚糖上，合成新型溫敏性聚合物。通過(guò)一步合成法分別將合成的聚合物和納米金前驅(qū)體（氯金酸）轉(zhuǎn)化為以巰基為末端聚合物和金納米顆粒，同時(shí)利用化學(xué)鍵將兩者相連，從而制得穩(wěn)定的溫敏性金納米顆粒。首先，以葡聚糖為主鏈的聚合物（DexPNI）極大地提高了金納米顆粒的穩(wěn)定性。葡聚糖鮮為人知的優(yōu)點(diǎn)在于的超支化結(jié)構(gòu)，可以為納米材料提供了更穩(wěn)定的包裹層。被包裹在DexPNI網(wǎng)絡(luò)中的金納米顆粒在加熱、高鹽含量和極端pH情況下具有長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性，極大地促進(jìn)了金納米顆粒在納米傳感器、藥物傳遞和催化系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。此外，此金納米顆粒溶液的顏色、透明度和催化活性與溫度緊密相關(guān)。這些溫度響應(yīng)性的特征不僅可以用于隨溫度變化調(diào)節(jié)反應(yīng)速度，還可以作為光學(xué)警報(bào)器，并且在需要時(shí)可以自動(dòng)地使反應(yīng)停止。與之前報(bào)道的擴(kuò)散控制的微反應(yīng)器相比，我們研制的金納米顆粒不僅能夠控制在32～35℃之間逐步降低反應(yīng)速率，并且當(dāng)溫度高于35 ℃可以進(jìn)一步使反應(yīng)停止。這種溫度敏感的性質(zhì)可以用于構(gòu)建新型智能感應(yīng)器和催化劑，當(dāng)反應(yīng)溫度意外高于限定值時(shí)作為溫度報(bào)警器和自動(dòng)開(kāi)關(guān)器。更重要的是，此方法不僅僅局限于應(yīng)用異丙基丙烯酰胺和氯金酸的聚合單體和納米顆粒前驅(qū)體，還可以用于制備多種高穩(wěn)定性和智能性的新型納米材料。

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

作品目的是通過(guò)簡(jiǎn)便易行的方法合成具有高穩(wěn)定性和優(yōu)異溫度敏感性的金納米顆粒，并探索其作為溫度敏感性催化劑的實(shí)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)的基本思路是將溫敏性的聚異丙基丙烯酰胺作為支鏈嫁接到具有超支化結(jié)構(gòu)的大分子葡聚糖上，通過(guò)一步合成法分別將合成的聚合物和納米金前驅(qū)體（氯金酸）轉(zhuǎn)化為以巰基為末端聚合物和金納米顆粒，同時(shí)利用化學(xué)鍵將兩者相連，從而制得穩(wěn)定的溫敏性金納米顆粒。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

本作品優(yōu)點(diǎn)在于研制出了通過(guò)一步法合成的穩(wěn)定性強(qiáng)并具有良好溫度敏感性的金納米顆粒。制備方法簡(jiǎn)單便捷快速。金納米顆粒在高濃度的鹽溶液和不同PH值下能夠保持穩(wěn)定，并能夠通過(guò)凍干等手段保存。金納米顆粒具有良好的溫度敏感性。當(dāng)溫度超過(guò)臨界溫度，金納米顆粒發(fā)生聚沉，粒徑增大。粒徑小于3nm的金納米顆粒在不同溫度下催化活性不同，使用此金納米顆粒可以控制不同溫度下的反應(yīng)速率，防止反應(yīng)在過(guò)高溫度下進(jìn)行。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

首先，本作品簡(jiǎn)化了金納米顆粒的制備方法，適合、大規(guī)模生產(chǎn)。其次，本作品、提高了金納米顆粒的穩(wěn)定性，擴(kuò)大了金納米顆粒的應(yīng)用范圍。此外，本作品探索了金納米顆粒作為溫敏性催化劑的實(shí)際應(yīng)用潛力。有些化學(xué)反應(yīng)需要在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，溫度過(guò)高可能會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物，或者引起安全事故。本作品合成的溫敏性金納米顆粒超過(guò)一定溫度范圍范圍納米金就會(huì)失去催化活性，自動(dòng)停止反應(yīng)，同時(shí)通過(guò)催化劑顏色和透明度的變化發(fā)出警告。

學(xué)術(shù)論文摘要

目前，我們利用聚異丙基丙烯酰胺(poly(N-isopropylacrylamide)，PNIPAAm)接枝的大分子葡聚糖(DexPNI)，開(kāi)發(fā)了高穩(wěn)定性的智能型金納米顆粒的一步制備方法。我們以硼氫化鈉為還原劑，DexPNI作為成核劑和穩(wěn)定劑，金納米顆?？梢栽谑覝叵露虝r(shí)間合成。金納米顆粒的不同特性，例如它們的形狀，光學(xué)性質(zhì)，和溫度敏感性質(zhì)與金原子前體的劑量有關(guān)。穩(wěn)定的金納米顆粒不僅在加熱、高鹽含量和極端pH情況下展示了極好的穩(wěn)定性，而且凍干后可以很快再分散。不同溫度下的紫外光譜和金納米顆粒催化4-硝基苯酚還原的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析顯示金納米顆粒的光學(xué)性質(zhì)和催化活性與溫度緊密相關(guān)。與之前報(bào)道的擴(kuò)散相關(guān)的微反應(yīng)器相比，我們研制的金納米顆粒不僅能夠控制在32～35℃之間逐步降低反應(yīng)速率，并且當(dāng)溫度高于35 ℃可以進(jìn)一步使反應(yīng)停止。這種溫度敏感的性質(zhì)可以用于構(gòu)建新型智能感應(yīng)器和催化劑，當(dāng)反應(yīng)溫度意外高于限定值時(shí)作為溫度報(bào)警器和自動(dòng)開(kāi)關(guān)器。更重要的是，此方法不僅僅局限于應(yīng)用異丙基丙烯酰胺和氯金酸的聚合單體和納米顆粒前驅(qū)體，還可以用于制備多種高穩(wěn)定性和智能性的新型納米材料。

獲獎(jiǎng)情況

論文Robust and smart gold nanoparticles: one-step synthesis, tunable optical property, and switchable catalytic activity 發(fā)表于2011年第21期 Journal of Materials Chemistry（影響因子IF=4.795），第6173-6178頁(yè)，并將作為封底文章發(fā)表。

鑒定結(jié)果

屬實(shí)

參考文獻(xiàn)

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同類課題研究水平概述

由于金納米顆粒獨(dú)特的物化性質(zhì)，金納米顆粒引起廣泛的科研興趣，納米顆粒在光學(xué)、生物、電子和催化等多重領(lǐng)域有潛在應(yīng)用價(jià)值。在使納米材料真正應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)之前，納米材料需要具有足夠的穩(wěn)定性，因?yàn)榉乐棺园l(fā)聚沉和降解是利用納米材料的關(guān)鍵。目前，聚合物包裹納米材料的方法指引了一個(gè)全新的研究方向，這種方式不僅可以保持納米材料的穩(wěn)定性，還可以賦予它令人激動(dòng)的新結(jié)構(gòu)、新性質(zhì)和新應(yīng)用，而這些性質(zhì)只能通過(guò)結(jié)合具有不同性質(zhì)的化合物而獲得。作為一個(gè)令人驚喜的研究分支，智能型聚合物包裹的金納米顆粒膠體溶液引起了特別的關(guān)注，因?yàn)樗鼈兡軌蝽憫?yīng)環(huán)境刺激的變化（例如溫度和pH的變化），可逆性的改變它們的性質(zhì)。然而，為了擴(kuò)展金納米顆粒的應(yīng)用，需要合成能夠耐受極端環(huán)境的智能型金納米顆粒，特別是在室溫下短時(shí)間合成，這仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)性的課題。因此，利用專門設(shè)計(jì)的由多種不同聚合物組合而成的多功能聚合物，開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)便的方法制備高穩(wěn)定性的智能型金納米顆粒，顯得至關(guān)重要。 由于葡聚糖獨(dú)特的生物性質(zhì)（如生物兼容性，生物可降解性等），它是一種生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常用的天然多糖分子。葡聚糖另一個(gè)重要但是容易被忽視的性質(zhì)是它的超支化結(jié)構(gòu)，可以為納米材料提供了更穩(wěn)定的包裹。最近，葡聚糖開(kāi)始用于制造一系列穩(wěn)定和生物兼容的納米材料。因此，可以使用葡聚糖與常用溫敏性聚合物的共聚物來(lái)制備高穩(wěn)定性的智能型金納米顆粒。 金屬納米顆粒已經(jīng)被成功包載在交聯(lián)的、基于PNIPAAm的水溶膠中，來(lái)制備溫度響應(yīng)性的微反應(yīng)器，以作為催化活動(dòng)的反相溫度響應(yīng)調(diào)節(jié)器（當(dāng)溫度升高時(shí)反應(yīng)活性降低）。然而，以上這兩種擴(kuò)散控制的系統(tǒng)都不能使反應(yīng)在不理想的溫度下停止，以達(dá)到避免副反應(yīng)、使反應(yīng)在安全溫度內(nèi)進(jìn)行的目的。考慮到金納米顆粒聚集為更大的粒子會(huì)喪失催化活性，我們預(yù)期，我們研制的金納米顆粒被約束在非交聯(lián)的DexPNI鏈中，也許可以通過(guò)溫度引發(fā)的、空間上“沒(méi)有限制”的金納米顆粒的聚合使反應(yīng)停止。
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