Janus粒子是指具有兩個及以上表面區域的粒子，它們表現出不同的性質，呈現不對稱地排布。通過表面的功能化可以實現Janus顆粒表面功能性上的非對稱，例如兩端的親疏水性差異。Pickering乳液是以固體顆粒穩定的乳液，Binks等人通過理論計算證明了Janus粒子在界面處表現出比其他各向同性粒子更高的脫附能，即Janus粒子能夠形成更穩定的Pickering乳液。
鑒于此，化學工程學院王建黎教授團隊提出以兩親性Janus固體催化劑穩定Pickering乳液，Janus顆粒在穩定乳液的同時還能夠起到界面催化的效果。團隊通過乳液聚合法制備得到聚苯乙烯種子后，以種子乳液聚合法在種子外包覆一層氯化聚苯乙烯殼，得到核殼結構的聚合物顆粒，接著經種子溶脹聚合得到兩親性Janus顆粒，該顆粒一端為帶有氯甲基活性位點的聚合物，另一端為純單體聚合物。最后，通過對顆粒的單側功能化得到Janus結構的Pickering界面催化劑。
近段時間，團隊以此開展了一些工作。
其一，提出了純單體聚合物端為聚苯乙烯（PS）的啞鈴形狀的雙面結構聚合物納米粒子，其單側錨定鈀族（DB-JPP-Pd）作為靜態加氫反應的Pickering界面催化劑。該兩親性Janus催化劑表現出優異的催化活性，界面張力從34.06±0.13大幅降低至20.54±0.31 mN/m，構成比本體PS-Pd催化劑更穩定的Pickering，可以在反應過程種持續提供較大的界面面積，縮短分子傳質距離。DB-JPP-Pd催化的硝基芳烴還原的歸一化反應速率常數（Knor）為3.39 min-1·g-1·L，比本體高56.5倍。所構建的Pickering界面催化（PIC）體系在3分鐘內將硝基苯全部轉化為苯胺，并對不同硝基芳經的加氫具有良好的選擇性。此外，乳液催化體系可以連續運行10次。這種獨特的兩親啞鈴型催化劑有效地發展了一種高效的靜態雙相催化體系。
該成果以“Dumbbell-shaped polymeric nanoparticles with one-side anchored
Pd-clusters for efficient catalytic hydrogenation at biphasic interfaces”為題發表于《Journal
of Catalysis》。
圖1 Janus DB-JPP-Pd催化劑的結構示意圖
其二，提出了純單體聚合物端為聚甲基丙基酰氧基丙基三乙氧基硅烷（TSPM）的雪人形狀的雙面結構聚合物納米粒子，其單側接枝小分子TEMPO（SM-JPP-TEMPO）作為Pickering界面催化劑用于Anelli-Montanari體系中醇的選擇性氧化。在添加顆粒后，形成更小液滴（102 μm）的油包水乳液，界面張力從26.58 mN/m降低到17.38 mN/m。所構建的Pickering乳液微反應器具有較大的界面接觸面積，縮短了肉桂醇底物的傳質距離，顯著提高了Anelli-Montanari氧化體系的催化轉化率，從而在靜態（無攪拌）條件下實現了92.3%的轉化率和99%的優良選擇性。與TEMPO接枝球形聚苯乙烯納米顆粒（PS-NPs-TEMPO）催化劑相比，SM-JPP-TEMPO的催化效率提高了1.29倍（72%）。此外，在連續7個循環后，Janus納米催化劑（SM-JPP-TEMPO）仍能顯著保持轉化。這些結果共同強調了兩親性SM-JPP-TEMPO催化劑為強化液-液兩相反應系統提供了一種高效且環保的策略，具有潛在的工業應用前景。
該成果以“TEMPO-Grafted Polystyrene/Polymethacrylate Organosiloxane Janus
Nanohybrids as Efficient Pickering Interfacial Catalyst for Selective Aerobic
Oxidation of Cinnamyl Alcohol”為題發表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。
圖2 SM-JPP-TEMPO Janus納米雜化催化劑的結構示意圖
兩篇論文的第一作者分別為浙江工業大學化學工程學院碩士研究生王磊和浙江工業大學化學工程學院博士后Badusha Mohamad Ali。該工作在王建黎教授和張浩老師的指導下完成。研究工作得到了國家自然科學基金(資助號:22178317、22109138)資助。