基于PECVD方法構建微流體系統及其催化性能研究.pdf

1、構建以微反應器為核心的微流體系統并用于持續(xù)的高效率非均相催化反應，是目前化學合成領域的研究熱點。本文首先系統開展了用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)方法在不同基體表面進行氨基功能化處理、納米金顆粒的合成及其在基體表面負載、納米金負載Y型沸石及其在基體表面沉積等研究。在此基礎上，采用PECVD法在環(huán)狀乙烴共聚物(COC)基微反應器的微通道內壁進行氨基功能化改性，同時合成納米金顆粒及納米金顆粒負載沸石作為催化劑，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基微反應器。最后，將微反應器連接入自制的微流體系統，并通過苯甲醇氧化反應對系統在水媒介中的催化性能進行了研究。
　　結果表明，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，Ar和N2是良好的APTES等離子體聚合化發(fā)生氣體;而O2會導致APTES過度氧化而形成大量的SiO2狀結構，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生的功能性轉變，本系統沉積時間范圍應為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，并影響膜層中化學組分和官能團變化。在25～40W內，增大電源功率會增強沉積層中APTES分子的交聯，提高膜層穩(wěn)定性，但過高電源功率會導致APTES單體劇烈分裂而降低基體表面氨基官能團的數量。在綜合考慮膜層的氨基相對含量和穩(wěn)定性基

4、礎上，獲得了PECVD沉積APTES的最佳系統參數:QAPTES=10sccm、QAr=20sccm、P=30W、p=1.0mbar、t=40s。
　　通過與傳統濕化學法對比，發(fā)現在玻璃基體表面用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密度，可導致納米金有更好的覆蓋率和負載。納米金負載過程中，采用膠體溶液pH值為6.2，可以在基體表面獲得較多的質子化氨基。納米金負載后，基體表面質子化氨基含量

5、升高，且對應的XPS特征峰向低結合能方向偏移，表明納米金通過結合基體表面R-NH3+基團被成功負載。
　　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型沸石并負載納米金，發(fā)現后者能為沸石載體提供更強的納米金負載能力。沸石沉積過程中，含有碳酸根離子的羧乙基硅三醇三鈉(CES)可為納米金負載沸石與氨基化COC表面之間提供良好的結合力。通過調節(jié)系統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，并可進一步應用于微流體系統。
　　在微流體系統中，通過分別使用納米金、Y型沸石和納米金負載Y型沸石型微反應器，研究了水媒介中系統對苯甲醇轉化為苯甲醛反應的催化能力。納米金微反應器表現出穩(wěn)定的對苯甲醛的高選擇性（約94％），但對苯甲醇的轉化率偏低（約20％）。同時發(fā)現，沸石是苯甲醇氧化的催化