Janus粒子是指具有两个及以上表面区域的粒子，它们表现出不同的性质，呈现不对称地排布。通过表面的功能化可以实现Janus颗粒表面功能性上的非对称，例如两端的亲疏水性差异。Pickering乳液是以固体颗粒稳定的乳液，Binks等人通过理论计算证明了Janus粒子在界面处表现出比其他各向同性粒子更高的脱附能，即Janus粒子能够形成更稳定的Pickering乳液。
鉴于此，化学工程学院王建黎教授团队提出以两亲性Janus固体催化剂稳定Pickering乳液，Janus颗粒在稳定乳液的同时还能够起到界面催化的效果。团队通过乳液聚合法制备得到聚苯乙烯种子后，以种子乳液聚合法在种子外包覆一层氯化聚苯乙烯壳，得到核壳结构的聚合物颗粒，接着经种子溶胀聚合得到两亲性Janus颗粒，该颗粒一端为带有氯甲基活性位点的聚合物，另一端为纯单体聚合物。最后，通过对颗粒的单侧功能化得到Janus结构的Pickering界面催化剂。
近段时间，团队以此开展了一些工作。
其一，提出了纯单体聚合物端为聚苯乙烯（PS）的哑铃形状的双面结构聚合物纳米粒子，其单侧锚定钯族（DB-JPP-Pd）作为静态加氢反应的Pickering界面催化剂。该两亲性Janus催化剂表现出优异的催化活性，界面张力从34.06±0.13大幅降低至20.54±0.31 mN/m，构成比本体PS-Pd催化剂更稳定的Pickering，可以在反应过程种持续提供较大的界面面积，缩短分子传质距离。DB-JPP-Pd催化的硝基芳烃还原的归一化反应速率常数（Knor）为3.39 min-1·g-1·L，比本体高56.5倍。所构建的Pickering界面催化（PIC）体系在3分钟内将硝基苯全部转化为苯胺，并对不同硝基芳经的加氢具有良好的选择性。此外，乳液催化体系可以连续运行10次。这种独特的两亲哑铃型催化剂有效地发展了一种高效的静态双相催化体系。
该成果以“Dumbbell-shaped polymeric nanoparticles with one-side anchored
Pd-clusters for efficient catalytic hydrogenation at biphasic interfaces”为题发表于《Journal
of Catalysis》。
图1 Janus DB-JPP-Pd催化剂的结构示意图
其二，提出了纯单体聚合物端为聚甲基丙基酰氧基丙基三乙氧基硅烷（TSPM）的雪人形状的双面结构聚合物纳米粒子，其单侧接枝小分子TEMPO（SM-JPP-TEMPO）作为Pickering界面催化剂用于Anelli-Montanari体系中醇的选择性氧化。在添加颗粒后，形成更小液滴（102 μm）的油包水乳液，界面张力从26.58 mN/m降低到17.38 mN/m。所构建的Pickering乳液微反应器具有较大的界面接触面积，缩短了肉桂醇底物的传质距离，显著提高了Anelli-Montanari氧化体系的催化转化率，从而在静态（无搅拌）条件下实现了92.3%的转化率和99%的优良选择性。与TEMPO接枝球形聚苯乙烯纳米颗粒（PS-NPs-TEMPO）催化剂相比，SM-JPP-TEMPO的催化效率提高了1.29倍（72%）。此外，在连续7个循环后，Janus纳米催化剂（SM-JPP-TEMPO）仍能显著保持转化。这些结果共同强调了两亲性SM-JPP-TEMPO催化剂为强化液-液两相反应系统提供了一种高效且环保的策略，具有潜在的工业应用前景。
该成果以“TEMPO-Grafted Polystyrene/Polymethacrylate Organosiloxane Janus
Nanohybrids as Efficient Pickering Interfacial Catalyst for Selective Aerobic
Oxidation of Cinnamyl Alcohol”为题发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。
图2 SM-JPP-TEMPO Janus纳米杂化催化剂的结构示意图
两篇论文的第一作者分别为浙江工业大学化学工程学院硕士研究生王磊和浙江工业大学化学工程学院博士后Badusha Mohamad Ali。该工作在王建黎教授和张浩老师的指导下完成。研究工作得到了国家自然科学基金(资助号:22178317、22109138)资助。