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光激发纳米半导体产生电子和空穴,催化表面化学反应。纳米半导体光催化聚合扩展了纳米光催化的功能,研究光催化聚合反应具有科学价值与应用意义,有助于深入理解纳米半导体的表面化学反应过程,并在功能材料领域有重要的应用前景。根据在探索醋酸乙烯酯(VAc)光催化聚合过程中偶然发现的实验现象,通过细致地研究,我们得到以下研究结果:
(1)醋酸乙烯酯水解产生的乙酸引起了单体的聚合,13C-NMR分析进一步表明,乙酸参与的Photo-Kolbe Reaction产生的甲基自由基引发了聚合反应,并提出了以下机理:
CH3COOH+h+(TiO2)→.CH3+C02+H+.CH3+M→13CG3M.CH3M.+(n-1)M→CH3(M)n
(2)聚合反应具有很高的效率,在120毫升反应器中添加20微升,就能使得单体发生光催化聚合,当乙酸用量达到200微升时,单体的转化率达到90%;13CNMR分析表明,引发反应速率随着乙酸浓度的增加而增加。
(3)研究表明,在水溶液体系中,乙酸电离产生的醋酸根离子对Photo-KolbeReaction具有重要作用,可能存在以下吸附反应机理:
CH3COOH→H2O CH3COO-+H+CH3COO-+TIO2→CH3COO>TiO2 CH3COO->TiO2→hv.CH3+CO2
(4)研究了Photo-Kolbe Reaction引发途径对丙烯酸甲酯(MA)和甲酯丙烯酸甲酯的普适性,13C-NMR分析表明,所产生的甲基自由基参与了引发反应。并获得了聚合物结构的信息。
(5)通过气相色谱分析,测得聚合反应速率随乙酸用量的增加而增加。假定引发速率可表示为RiφC建立了如下聚合反应动力学模型:d[m]/[M]=ΦC1/2dc Φ=Kp(φ/2Kt)(1/2)(1/Kr+1/KrKaC0)其中,C为反应器中乙酸的浓度;Kr为乙酸的光催化降解速率常数;Ka乙酸的吸附平衡常数;Kp为聚合反应速率常数;Kt为终止反应速率常数;φ是产生甲基自由基的量子效率。该模型基本上能反映聚合速率的变化趋势。