石墨/氧化铝非对称膜及其制备方法技术

本发明专利技术涉及石墨/氧化铝非对称膜及其制备方法，以及离子整流器件。本发明专利技术利用溶胶‑凝胶的方法制备石墨/氧化铝非对称膜，所述石墨涂覆在所述石墨/氧化铝非对称膜的一侧表面，所述石墨/氧化铝非对称膜的表面具有羟基官能团。本发明专利技术的石墨/氧化铝非对称膜用于离子整流器件，所述离子整流器件制备工艺简单、成本低、离子整流比高，可进一步应用于离子定向输运以及盐差发电等领域。

【技术实现步骤摘要】
石墨/氧化铝非对称膜及其制备方法
本专利技术涉及生物离子通道仿生领域。
技术介绍
生物体中存在着各种各样的生物纳米通道，它们为生物体的运转及内环境的协调起着至关重要的作用。生物离子通道是生物纳米通道的重要组成部分，其控制着离子进出细胞，细胞与环境之间物质与能量的交换以及信息的传递，具有门控、离子选择性和离子整流特性。近年来，受生物离子通道的影响，仿生纳米通道引起了极大的研究兴趣。仿生纳米通道就是仿照生物离子通道制备出的孔径在1～100纳米之间且孔道长度远大于孔道直径的纳米通道，通过适当的构建方法可以使仿生纳米通道具有与生物离子通道相似的性能。目前科学研究者们已经研究出多种制备仿生纳米通道的方法，例如径迹刻蚀法、电化学氧化法、自组装法等等一系列方法，Apel课题组(Nuci.Instr.andMeth.inPhys.RexB,1997,131,55-63)曾采用重金属离子238U对不同材料的聚合物薄膜(PET，PP，PSU)进行刻蚀。郭维课题组(Chem.Commun.,2014,50,14149-14152)采用径迹刻蚀法制备一种新型仿生人工纳米通道，通过机械剥落的方式使离子轨道蚀刻的云母片产生超薄的纳米孔膜。大块云母片经快速重离子束辐照后，用氢氟酸进行化学蚀刻，在大块膜上产生纳米孔；在纳米孔块云母膜表面贴一层胶带，然后用其他新鲜胶带反复剥离，剥落的云母薄片可转移到固体硅窗上，形成悬浮的纳米孔膜。Siwy课题组(J.Am.Chem.Soc.,2020,142,2925-2934)在透射电子显微镜下利用聚焦离子束和电子束在15nm厚的氮化硅薄膜上钻取纳米孔，然后通过硅烷化使纳米孔带上负电荷，通过调节钻取孔的孔径，实现与生物体相似的对钙离子的门控响应。匡华课题组(Angew.Chem.Int.Ed.,2019,58,17418-17424)在金纳米粒子(AuNPs)自组装成有序的纳米级单层阵列后将金单层纳米阵列转移到阳极氧化铝(AAO)表面形成异质结构膜，从而产生纳米级选择性的非对称离子传输。以单层金纳米阵列为结构单元，可以通过增加金纳米阵列层数来增强离子选择性。但是，上述制备方法均涉及多步制备过程，工艺较为复杂成本高，而且制备过程中成分单一不可调，因此，寻求制备方法简单且成本低、成分可调的仿生纳米通道及其制备方法具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术人等为了解决现有技术存在的问题，经过深入研究后发现，本专利技术的石墨/氧化铝非对称膜具有离子整流特性，并且制备方法操作简单、成本低，从而完成了本专利技术。本专利技术包括下述的构成。本专利技术的一方面提供一种石墨/氧化铝非对称膜，具有石墨层和多孔氧化铝膜层，所述石墨层位于所述多孔氧化铝膜的一侧表面；所述多孔氧化铝膜的表面及层间、以及所述石墨的表面及层间具有羟基官能团。本专利技术的石墨/氧化铝非对称膜具有离子整流特性，这里的“离子整流特性”是指，在相同正电压、负电压下获得的电流值大小不同的特性，电流值的差距越大，表明整流特性越强。本专利技术的石墨/氧化铝非对称膜具有离子整流特性的原因可能在于：石墨/氧化铝非对称膜中，石墨层中具有微小的孔，而多孔氧化铝膜中具有比石墨层中的孔更大的孔，并且石墨和氧化铝的孔的孔道表面都带有负电荷，对阳离子具有选择通过性。当对涂覆有石墨层的一侧施加正电压时，阳离子由于静电作用易于通过孔道，形成离子富集区域，离子电流大；反之，当对涂覆有石墨层的一侧施加负电压时，阳离子不易通过孔道，形成离子耗散区域，离子电流小。由此，本专利技术的石墨/氧化铝非对称膜具有前述的离子整流特性。本专利技术的石墨/氧化铝非对称膜的整流特性比为2～6的范围。本专利技术的另一方面，还提供石墨/氧化铝非对称膜的制备方法，其包括下述工序：石墨凝胶制备工序：使甲基三甲氧基硅烷与浓盐酸在无水甲醇中水解，边水解边加入石墨粉进行搅拌，得到含有石墨的凝胶；石墨涂覆工序：将前述得到的含有石墨的凝胶涂覆在氧化铝一侧表面，干燥后得到所述石墨/氧化铝非对称膜。本专利技术的石墨/氧化铝非对称膜的制备方法中，通过使甲基三甲氧基硅烷与浓盐酸在无水甲醇中水解，并且边水解边加入石墨粉进行搅拌，来制备得到含有石墨的凝胶。通过采用这样的石墨凝胶制备工序，利用甲基三甲氧基硅烷的水解，使得涂覆到多孔氧化铝膜表面的石墨层中，在石墨层的表面及层间都带有羟基官能团。本专利技术的又一方面，提供一种离子整流器件，其包括本专利技术的石墨/氧化铝非对称膜，双室电解池、电解液以及两个电极，所述石墨/氧化铝非对称膜置于双室电解池中，两个电极连接。本专利技术的石墨/氧化铝非对称膜具有离子整流特性，并且制备方法工艺简单、成本低的优点。本专利技术的离子整流器件具有结构简单，离子整流比高等优点。本专利技术的石墨/氧化铝非对称膜和离子整流器件可进一步应用于离子定向输运以及盐差发电等领域。附图说明图1是本专利技术的一个实施例制备的石墨/氧化铝非对称膜的表面的扫描电镜图。图2是本专利技术的一个实施例制备的石墨/氧化铝非对称膜的横截面的扫描电镜图。图3是本专利技术的一个实施方式的离子整流器件的装置图。图4是本专利技术的一个实施例制备的离子整流器件在1mmol/L电解液中测试得到的电流-电压曲线图。具体实施方式现详细说明本专利技术的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本专利技术的限制，而应理解为是对本专利技术的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本专利技术中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本专利技术。另外，对于本专利技术中的数值范围，应理解为具体公开了该范围的上限和下限以及它们之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本专利技术内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本专利技术所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本专利技术仅描述了优选的方法和材料，但是在本专利技术的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。除非另有说明，否则“％”为基于重量的百分数。[石墨/氧化铝非对称膜]本专利技术的石墨/氧化铝非对称膜中，石墨层位于多孔氧化铝膜的一侧表面。本专利技术的石墨/氧化铝非对称膜中，多孔氧化铝膜中具有孔道，大小没有特别的限定，可以为例如40-150nm，优选为40～110nm，更优选为40～70nm。在多孔氧化铝膜的孔道表面具有羟基官能团。本专利技术的石墨/氧化铝非对称膜中，石墨层具有不规则的孔。优选的是，石墨层所具有的孔的平均孔径要小于多孔氧化铝膜中的孔径。前述时石墨层的孔径大小为例如1～100nm，优选为1～50nm。本专利技术的石墨/氧化铝非对称膜中，前述多孔氧化铝膜的厚度约为1～500μm，优选为50～200μm，更优选为50～100μm。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.石墨/氧化铝非对称膜，其具有石墨层和多孔氧化铝膜层，所述石墨层位于所述多孔氧化铝膜的一侧表面，/n所述多孔氧化铝膜的表面及层间、以及所述石墨的表面及层间具有羟基官能团。/n

【技术特征摘要】
1.石墨/氧化铝非对称膜，其具有石墨层和多孔氧化铝膜层，所述石墨层位于所述多孔氧化铝膜的一侧表面，
所述多孔氧化铝膜的表面及层间、以及所述石墨的表面及层间具有羟基官能团。


2.根据权利要求1所述的石墨/氧化铝非对称膜，其中，所述多孔氧化铝膜层中孔的大小为40～150nm。


3.根据权利要求1或2所述的石墨/氧化铝非对称膜，其整流比为2～6。


4.根据权利要求1～3的任一项所述的石墨/氧化铝非对称膜，所述石墨层的厚度为1～100μm，所述多孔氧化铝膜层的厚度为1～500μm。


5.权利要求1～4的任一项所述的石墨/氧化铝非对称膜的制备方法，其包括下述工序：
石墨凝胶制备工序：使甲基三甲氧基硅烷与浓盐酸在无水甲...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兆阅，落日凤，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11