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如何化學合成一個 “快樂源泉小瓶子” ?

研之成理 ,作者DJ      2020-02-25
導讀:最近,“快樂源泉小瓶子”突然火了,大家都擁有自己的小瓶子了嗎?那化學家如何擁有自己的小瓶子呢?當然是合成一個了!下文為大家展現化學合成的神奇。

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先上圖。浙江大學化學系王勇教授課題組在水熱炭材料可控合成領域的文章報道了一種以P123和油酸鈉為軟模板,使用糖為炭源的水熱碳化的方法,合成出具有花瓶形貌的炭材料。

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1. 生物質炭材料可控合成的難點 
軟模板法被廣泛應用于中空炭球的合成。其中以酚醛樹脂為炭源,以表面活性劑為軟模板可以合成均一的聚合物球或者中空球,經過高溫碳化可以得到炭球或者中空炭球??紤]到生物質原料的可持續性,很多生物質也被用作炭源來制備功能化的炭材料(BDCs)。為了滿足不同應用的需要,需要開發新型的方法來控制BDCs的形貌,孔結構和表面化學性質。模板法被視為控制炭材料形貌的有效方法。其中,使用硬模板方法可以有效的合成出具有球狀,管狀,或中空球型的BDCs。但是,硬模板法受限于模板的選擇,且需要比較繁瑣的后處理過程來去除模板。相對于硬模板法,基于表面活性劑的軟模板法具有步驟簡單,且更加綠色等特點,因為其使用的表面活性劑能夠在高溫下進行分解,因此在高溫碳化的過程中可以很容易的除去。生物質原料一般需要較高的溫度才能進行聚合,在這種條件下表面活性劑形成的膠束不穩定。因此很難使用軟模板法來控制BDCs形貌和結構。2006年,從事生物質炭材料制備的Titirici1利用F127為軟模板,選擇水熱炭化溫度較低的果糖為炭源,在120 oC水熱條件下,成功合成出具有有序介孔結構的炭材料;之后,有研究人員2探究了硫酸對于增強前軀體與表面活性劑相互作用,同樣在120 oC下得到高收率的有序介孔炭。但是,使用軟模板實現BDCs進一步的可控合成卻遲遲沒有進展。
2. 論文概覽
在這篇JACs論文中,作者使用兩種不同類型的表面活性劑(P123:三嵌段表面活性劑,兩端親油(EO),中間親水(PO)和油酸鈉:陰離子表面活性劑)作為模板,使用木糖為碳源,合成出只有一端開口的花瓶狀水熱炭微球。
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2. 從圖中可以,看出,合成出的花瓶炭球具有均一的大?。?/span>500nm),瓶口大小為200 nm。
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3. 花瓶炭形成機理
3. 形成機理
通過控制實驗條件,作者闡述了這種不尋常形貌的形成原因。作者將花瓶炭球的生長機理分為三個階段:納米乳液的形成,開口的形成和瓶口的形成。在第一階段,分散在木糖溶液的表面活性劑在水熱的開始階段(pH降低,溫度逐漸升高)的時候能形成混合膠束,然后形成納米乳液。step1,油酸分布在中心,而P123分布在表面);隨著溫度的不斷升高,由于與表面活性劑有相互作用,木糖的水解產物在納米乳液的表面發生縮聚,反應抑制了納米乳液的進一步團聚;與此同時,P123PO段開始變得更加的疏水,從而導致納米乳液的溶脹效應;體積的膨脹增加納米乳液的表面應力,從而致使低聚的殼破裂開口的形成;最后,由于五碳糖的水熱中間體的部分疏水性質,會擴散到濃度相對較低的核中,從而將表面活性劑排出,部分中間體會在空腔內壁聚合,從而導致腔體的半徑減小,排出的表面活性劑在破口處形成新的界面,作為新的軟模板,中間體在界面進行聚合,從而形成瓶口。(水熱時間延長,瓶口會長長)這種生長機理適用于多種嵌段表面活性劑和陰離子表面活性劑組合。
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圖4. 不同表面活性劑組合都能得到類似開口結構。(a. SDS and P123; b. SDS and F123; c. sodium stearate and P123; d. sodium laurate and P123
最后,讓我們靜靜的欣賞一下其生長過程圖片,感受一下化學的神奇。
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圖5. 隨著反應時間延長,炭瓶瓶徑增長,空腔減小

 

參考文獻:

1.     Titirici, M.-M.; Antonietti, M.; Thomas, A., Chem. Mater. 2006, 18, 3808.

2.     Fan Xu, Yiqing Chen, Minghui Tang, Haiyan Wang, Jiang Deng, and Yong Wang*, ACS Sustainable Chem. Eng., 2016, 4,44734479.

3.      Chunhong Chen, Haiyan Wang, Chuanlong Han, Jiang Deng, Jing Wang, Mingming Li, Minghui Tang, Haiyan Jin, and Yong Wang* J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.6b10841


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