[發(fā)明專利]石墨/氧化鋁非對稱膜及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011004040.5
• 申請日: 2020-09-22
• 公開（公告）號: CN112090715A
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉兆閱;落日鳳
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: B05D7/24
• 分類號: B05D7/24;B05D7/00
• 代理公司: 北京誠呈知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11883
• 代理人: 劉敏

本發(fā)明涉及石墨/氧化鋁非對稱膜及其制備方法，以及離子整流器件。本發(fā)明利用溶膠?凝膠的方法制備石墨/氧化鋁非對稱膜，所述石墨涂覆在所述石墨/氧化鋁非對稱膜的一側(cè)表面，所述石墨/氧化鋁非對稱膜的表面具有羥基官能團(tuán)。本發(fā)明的石墨/氧化鋁非對稱膜用于離子整流器件，所述離子整流器件制備工藝簡單、成本低、離子整流比高，可進(jìn)一步應(yīng)用于離子定向輸運(yùn)以及鹽差發(fā)電等領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及生物離子通道仿生領(lǐng)域。

背景技術(shù)

生物體中存在著各種各樣的生物納米通道，它們?yōu)樯矬w的運(yùn)轉(zhuǎn)及內(nèi)環(huán)境的協(xié)調(diào)起著至關(guān)重要的作用。生物離子通道是生物納米通道的重要組成部分，其控制著離子進(jìn)出細(xì)胞，細(xì)胞與環(huán)境之間物質(zhì)與能量的交換以及信息的傳遞，具有門控、離子選擇性和離子整流特性。

近年來，受生物離子通道的影響，仿生納米通道引起了極大的研究興趣。仿生納米通道就是仿照生物離子通道制備出的孔徑在1～100納米之間且孔道長度遠(yuǎn)大于孔道直徑的納米通道，通過適當(dāng)?shù)臉?gòu)建方法可以使仿生納米通道具有與生物離子通道相似的性能。目前科學(xué)研究者們已經(jīng)研究出多種制備仿生納米通道的方法，例如徑跡刻蝕法、電化學(xué)氧化法、自組裝法等等一系列方法，Apel課題組(Nuci.Instr.and Meth.in Phys.Rex B,1997,131,55-63)曾采用重金屬離子²³⁸U對不同材料的聚合物薄膜(PET，PP，PSU)進(jìn)行刻蝕。郭維課題組(Chem.Commun.,2014,50,14149-14152)采用徑跡刻蝕法制備一種新型仿生人工納米通道，通過機(jī)械剝落的方式使離子軌道蝕刻的云母片產(chǎn)生超薄的納米孔膜。大塊云母片經(jīng)快速重離子束輻照后，用氫氟酸進(jìn)行化學(xué)蝕刻，在大塊膜上產(chǎn)生納米孔；在納米孔塊云母膜表面貼一層膠帶，然后用其他新鮮膠帶反復(fù)剝離，剝落的云母薄片可轉(zhuǎn)移到固體硅窗上，形成懸浮的納米孔膜。Siwy課題組(J.Am.Chem.Soc.,2020,142,2925-2934)在透射電子顯微鏡下利用聚焦離子束和電子束在15nm厚的氮化硅薄膜上鉆取納米孔，然后通過硅烷化使納米孔帶上負(fù)電荷，通過調(diào)節(jié)鉆取孔的孔徑，實(shí)現(xiàn)與生物體相似的對鈣離子的門控響應(yīng)。匡華課題組(Angew.Chem.Int.Ed.,2019,58,17418-17424)在金納米粒子(Au NPs)自組裝成有序的納米級單層陣列后將金單層納米陣列轉(zhuǎn)移到陽極氧化鋁(AAO)表面形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)膜，從而產(chǎn)生納米級選擇性的非對稱離子傳輸。以單層金納米陣列為結(jié)構(gòu)單元，可以通過增加金納米陣列層數(shù)來增強(qiáng)離子選擇性。

但是，上述制備方法均涉及多步制備過程，工藝較為復(fù)雜成本高，而且制備過程中成分單一不可調(diào)，因此，尋求制備方法簡單且成本低、成分可調(diào)的仿生納米通道及其制備方法具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明人等為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，經(jīng)過深入研究后發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的石墨/氧化鋁非對稱膜具有離子整流特性，并且制備方法操作簡單、成本低，從而完成了本發(fā)明。本發(fā)明包括下述的構(gòu)成。

本發(fā)明的一方面提供一種石墨/氧化鋁非對稱膜，具有石墨層和多孔氧化鋁膜層，所述石墨層位于所述多孔氧化鋁膜的一側(cè)表面；所述多孔氧化鋁膜的表面及層間、以及所述石墨的表面及層間具有羥基官能團(tuán)。

本發(fā)明的石墨/氧化鋁非對稱膜具有離子整流特性，這里的“離子整流特性”是指，在相同正電壓、負(fù)電壓下獲得的電流值大小不同的特性，電流值的差距越大，表明整流特性越強(qiáng)。

本發(fā)明的石墨/氧化鋁非對稱膜具有離子整流特性的原因可能在于：石墨/氧化鋁非對稱膜中，石墨層中具有微小的孔，而多孔氧化鋁膜中具有比石墨層中的孔更大的孔，并且石墨和氧化鋁的孔的孔道表面都帶有負(fù)電荷，對陽離子具有選擇通過性。當(dāng)對涂覆有石墨層的一側(cè)施加正電壓時，陽離子由于靜電作用易于通過孔道，形成離子富集區(qū)域，離子電流大；反之，當(dāng)對涂覆有石墨層的一側(cè)施加負(fù)電壓時，陽離子不易通過孔道，形成離子耗散區(qū)域，離子電流小。由此，本發(fā)明的石墨/氧化鋁非對稱膜具有前述的離子整流特性。

本發(fā)明的石墨/氧化鋁非對稱膜的整流特性比為2～6的范圍。