基于PECVD方法構(gòu)建微流體系統(tǒng)及其催化性能研究.pdf

1、構(gòu)建以微反應(yīng)器為核心的微流體系統(tǒng)并用于持續(xù)的高效率非均相催化反應(yīng)，是目前化學(xué)合成領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文首先系統(tǒng)開展了用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法在不同基體表面進(jìn)行氨基功能化處理、納米金顆粒的合成及其在基體表面負(fù)載、納米金負(fù)載Y型沸石及其在基體表面沉積等研究。在此基礎(chǔ)上，采用PECVD法在環(huán)狀乙烴共聚物(COC)基微反應(yīng)器的微通道內(nèi)壁進(jìn)行氨基功能化改性，同時合成納米金顆粒及納米金顆粒負(fù)載沸石作為催化劑，并利用硅烷化處理將催化

2、劑顆粒通過靜電作用固定在基體表面，制成具有催化作用的COC基微反應(yīng)器。最后，將微反應(yīng)器連接入自制的微流體系統(tǒng)，并通過苯甲醇氧化反應(yīng)對系統(tǒng)在水媒介中的催化性能進(jìn)行了研究。
　　結(jié)果表明，PECVD方法可在不同基體表面沉積具有高含量氨基官能團(tuán)的（3-氨丙基）三乙氧基硅烷(APTES)聚合化薄膜。對比使用Ar、O2和N2發(fā)現(xiàn)，Ar和N2是良好的APTES等離子體聚合化發(fā)生氣體;而O2會導(dǎo)致APTES過度氧化而形成大量的SiO2狀結(jié)構(gòu)，不

3、適用于APTES沉積。為獲得良好沉積層及減小膜層過度暴露于等離子體而產(chǎn)生的功能性轉(zhuǎn)變，本系統(tǒng)沉積時間范圍應(yīng)為14～40s。隨工作氣壓的改變，APTES單體分子的裂解-聚合與自由離子/自由基的聚合兩個過程相互競爭，并影響膜層中化學(xué)組分和官能團(tuán)變化。在25～40W內(nèi)，增大電源功率會增強(qiáng)沉積層中APTES分子的交聯(lián)，提高膜層穩(wěn)定性，但過高電源功率會導(dǎo)致APTES單體劇烈分裂而降低基體表面氨基官能團(tuán)的數(shù)量。在綜合考慮膜層的氨基相對含量和穩(wěn)定性基

4、礎(chǔ)上，獲得了PECVD沉積APTES的最佳系統(tǒng)參數(shù):QAPTES=10sccm、QAr=20sccm、P=30W、p=1.0mbar、t=40s。
　　通過與傳統(tǒng)濕化學(xué)法對比，發(fā)現(xiàn)在玻璃基體表面用PECVD法聚合化制備APTES薄膜具有更高表面親水性、更厚膜層及更高氨基官能團(tuán)密度，可導(dǎo)致納米金有更好的覆蓋率和負(fù)載。納米金負(fù)載過程中，采用膠體溶液pH值為6.2，可以在基體表面獲得較多的質(zhì)子化氨基。納米金負(fù)載后，基體表面質(zhì)子化氨基含量

5、升高，且對應(yīng)的XPS特征峰向低結(jié)合能方向偏移，表明納米金通過結(jié)合基體表面R-NH3+基團(tuán)被成功負(fù)載。
　　對比研究了（3-巰基丙基）三甲氧基硅烷(MPTES)和APTES為連接劑改性Y型沸石并負(fù)載納米金，發(fā)現(xiàn)后者能為沸石載體提供更強(qiáng)的納米金負(fù)載能力。沸石沉積過程中，含有碳酸根離子的羧乙基硅三醇三鈉(CES)可為納米金負(fù)載沸石與氨基化COC表面之間提供良好的結(jié)合力。通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH值可以在沸石表面獲得更多自由碳酸根，本研究中pH值確

6、定為8.4（pKaNH2=10.6和pKaCOOH=2.5）。納米金負(fù)載沸石成功成膜于基體表面，且膜層致密、覆蓋良好，可穩(wěn)定存在于動態(tài)流體環(huán)境，并可進(jìn)一步應(yīng)用于微流體系統(tǒng)。
　　在微流體系統(tǒng)中，通過分別使用納米金、Y型沸石和納米金負(fù)載Y型沸石型微反應(yīng)器，研究了水媒介中系統(tǒng)對苯甲醇轉(zhuǎn)化為苯甲醛反應(yīng)的催化能力。納米金微反應(yīng)器表現(xiàn)出穩(wěn)定的對苯甲醛的高選擇性（約94％），但對苯甲醇的轉(zhuǎn)化率偏低（約20％）。同時發(fā)現(xiàn)，沸石是苯甲醇氧化的催化