铝形态水交换反应在碳基纳米管作用下的动力学研究

采用O-17 NMR核磁共振手段测定Al(H2O)63+、Al(H2O)5(OH)2+、Al13、GaAl12、GeAl12和Al30等6种常见铝形态的O-17 NMR化学位移，建立定性和定量测定溶液中铝形态的O-17 NMR核磁共振方法。采用变温O-17 NMR核磁共振方法，测定在不同直径碳基纳米管作用下6种常见铝形态水交换反应的动力学参数，探讨碳基纳米管的限域效应对铝形态水交换反应速率的调变作用；采用变温O-17 NMR核磁共振方法，测定在不同手性碳基纳米管作用下6种常见铝形态水交换反应的动力学参数，探讨碳基纳米管的介电性质对铝形态水交换反应速率的影响。采用分子动力学和量子力学第一原理计算方法模拟这6种常见铝形态在碳基纳米管内外水交换反应的微观过程，揭示碳基纳米管的限域效应和不同介电性质对水交换反应机制和反应能垒的影响。

本项目拟进行铝形态水交换反应在碳纳米管作用下的动力学研究，探索碳纳米管的限域效应和介电性质对不同铝形态水交换反应机制和速率的影响，揭示不同管径和介电性质的碳纳米管对水溶液中各种铝形态的作用规律和机制，以收集碳纳米管作用于矿物表面反应的微观信息。我们合成了六种不同的单核和多核铝形态，建立了氧核磁共振的表征方法，并对六种铝形态进行了17O NMR定性测定和表征。为了研究碳纳米管对单核铝形态水交换反应的影响，建模了不同直径的单壁碳纳米管，分别模拟了单核铝形态在气相体系的解离反应和发生在单壁碳纳米管内外单核铝离子的解离反应，模拟了整个反应过程，探讨了单壁碳纳米管的限域效应和介电性质对单核铝离子解离反应能垒的影响。发现和揭示了四种多聚铝形态具有特殊的光致发光性能，并采用该性质建立了Al13形态的荧光分析测定方法。但是由于实验仪器及条件的限制，部分实验内容无法完成。系统研究了包括碳纳米管、石墨烯和碳量子点等多种碳纳米材料的荧光性能，探索了氧化碳纳米管的制备和修饰、荧光性能、分析应用，开发了卤代碳量子点、氨基修饰碳量子点的制备方法，揭示了氧化碳纳米管、碳量子点的荧光内在机制和氨基修饰导致的荧光增强机制，制备了氮掺杂碳量子点和磷掺杂碳量子点并将其应用于金属离子、过氧化氢等物种的分析检测和生物成像研究。这些研究成果在高荧光性能、生物兼容性好的和应用于生物化学体系分析检测的碳量子点等碳基纳米材料方面取得了良好的进展，为新型纳米传感器的构建提供了研究基础。所有相关研究成果均发表在《Chemical Communications》、《Chemistry-A European Journal》、《Journal of Materials Chemistry》、《Dalton Transactions》、《Journal of Materials Chemsitry C》和《RSC Advances》等国际学术期刊上，共发表十二篇SCI文章。