CN102700185A

CN102700185A - 一种氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜的制备方法

Info

Publication number: CN102700185A
Application number: CN2012101658673A
Authority: CN
Inventors: 孙鹏展; 朱宏伟; 王昆林; 韦进全; 吴德海
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2012-10-03

Abstract

一种氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：首先在滑面基底上滴加氧化石墨烯溶液或氧化钛溶液，干燥后形成薄膜；然后在滑面基底上形成的薄膜上滴加氧化钛溶液或氧化石墨烯溶液，干燥后形成复合层状薄膜；最后将氧化石墨烯与氧化钛的复合层状薄膜从滑面基底上揭下，即得到独立存在的氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜。本发明实现了氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜的可控制备，具有大面积、厚度可控、高机械强度以及紫外光双面亲水性反向可控调节性能。

Description

一种氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及纳米材料制备与应用领域，特别涉及一种具有双面亲水性紫外光反向可控调节的氧化石墨烯和氧化钛复合薄膜的制备方法。

背景技术

石墨烯[参考文献1：K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,D.Jiang,Y.Zhang,S.V.Dubonos,I.V.Grigorieva,A.A.Firsov.Electric field effect in atomically thincarbon films.Science,2004,306(5696):666-669]和氧化钛薄膜[参考文献2：T.Sasaki,M.Watanabe,H.Hashizume,H.Yamada,H.Nakazawa.Macromolecule-like aspects for acolloidal suspension of an exfoliated titanate.Pairwise association of nanosheets anddynamic reassembling process initiated from it.J.Am.Chem.Soc.1996,118(35):8329-8335]是两种典型的二维纳米材料。石墨烯(Graphene)亦即“单层石墨片”是构成石墨的基本结构单元，具有优异的电学以及光学性能。目前，可以通过氧化还原法实现氧化石墨烯的批量制备[参考文献3：D.Li,M.B.Muller,S.Gilje,R.B.Kaner,G.G.Wallace.Processableaqueous dispersions of graphene nanosheets,Nature Nanotech,2008,3(2),101-105]，通过将石墨进行氧化处理，然后将所得的氧化石墨置于溶剂中超声处理即可得到氧化石墨烯(GO)，再将制得的氧化石墨烯进行还原处理即可得到石墨烯薄片。

氧化钛纳米薄膜(titania nanosheets)是通过化学剥离法制备的一种单层纳米薄膜材料，具有优异的光学以及介电性能。由于氧化钛纳米薄膜具有优异的紫外光致亲水转换性能[参考文献4：N.Sakai,K.Fukuda,T.Shibata,Y.Ebina,K.Takada,T.Sasaki.Photoinducedhydrophilic conversion properties of titania nanosheets.J.Phys.Chem.B,2006,110(12):6198-6203]，因而在固体表面亲水性调控方面展现出潜在的应用前景。

由于现有技术制备的氧化钛薄膜仅能在紫外光照射下表现出光致亲水性能，若使其表面恢复疏水需在黑暗环境中储存一个月以上，亲疏水转换周期较长[参考文献4：N.Sakai,K.Fukuda,T.Shibata,Y.Ebina,K.Takada,T.Sasaki.Photoinduced hydrophilic conversionproperties of titania nanosheets.J.Phys.Chem.B,2006,110(12):6198-6203]。另外，现有技术制备的薄膜仅能表现出单面亲水性或单面疏水性[参考文献5：X.Deng,L.Mammen,H.J.Butt,D.Vollmer.Candle soot as a template for a transparent robust superamphiphobiccoating.Science,2012,335(6064),67-70]，无法实现双面亲水性反向调控，这将极大限制现有薄膜在未来的液体输运以及固体表面修饰方面的应用，因此制备具有双面亲水性反向可控调节的固态薄膜十分重要。

发明内容

为制备出氧化石墨烯与氧化钛复合层状结构，进而实现复合薄膜的双面亲水性的紫外光反向可控调节，本发明的目的在于提供一种氧化石墨烯与氧化钛复合层状结构的制备方法，从而实现氧化石墨烯与氧化钛复合层状薄膜的可控制备及其双面亲水性的紫外光反向可控调节。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

1）在滑面基底上滴加氧化石墨烯水溶液，或氧化钛水溶液，干燥后，在滑面基底上形成一层氧化石墨烯薄膜，或者形成一层氧化钛薄膜；

2）在步骤1形成的氧化石墨烯薄膜上滴加氧化钛水溶液，或在步骤1形成的氧化钛薄膜上滴加氧化石墨烯水溶液，干燥后，在基底上形成氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜；

3）将形成的氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜从滑面基底上揭下，即得到独立存在的氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜。

本发明所使用的氧化石墨烯水溶液的体积质量浓度优选采用0.5mg/mL-5mg/mL，氧化钛水溶液的体积质量浓度优选采用0.2mg/mL-4mg/mL。

本发明制备的氧化石墨烯与氧化钛复合薄膜是由氧化石墨烯层与氧化钛层相互贴合组成的二维层状复合薄膜结构，该薄膜的尺寸由滴加氧化石墨烯与氧化钛溶液的量决定，面积可达1～100cm²。厚度由滴加溶液的浓度决定，两种溶液的浓度越高，复合薄膜越厚，其厚度可达500nm～500μm之间。该复合薄膜具有较高机械强度，可以直接从基底上揭下，相对于背景技术中依附于基底存在的薄膜，具有较高柔性，并且两表面均可得到应用，利用率高。相比于背景技术中只具有单面亲水性或单面疏水性的薄膜，本发明制备的薄膜可以在紫外光的照射下实现双面亲水性可控调节。该氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜具有制备简单、面积和厚度可控、较高机械强度以及较高柔性的特点，并且可以实现双面亲水性的紫外光反向可控调节。

附图说明

图1为本发明的原理图,在紫外光的照射下，氧化石墨烯表面由亲水转变为疏水，氧化钛表面由疏水转变为亲水，从而实现复合薄膜在紫外光下的双面亲水性反向可控调节。

图2是本发明制备的氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜在紫外光照下的双面接触角变化曲线,其中（a）为氧化石墨烯表面在紫外光照射下的接触角变化曲线；（b）为氧化钛表面在紫外光照射下的接触角变化曲线。

图3为本发明制备的氧化石墨烯与氧化钛复合薄膜在紫外光照8小时后的双面水收集情况照片，其中（a）为氧化钛表面的水收集情况照片；（b）为氧化石墨烯表面的水收集情况照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

2）在步骤1形成的氧化石墨烯薄膜上滴加氧化钛水溶液，或在步骤1）形成的氧化钛薄膜上滴加氧化石墨烯水溶液，干燥后，在基底上形成氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜；

3）将形成的氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜从滑面基底上揭下，即得到独立存在的氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜。氧化石墨烯水溶液的体积质量浓度优选采用0.5mg/mL-5mg/mL，氧化钛水溶液的体积质量浓度优选采用0.2mg/mL-4mg/mL。

下面通过几个具体的实施例来进行说明。

实施例一

本实施例包括以下步骤：

1）在纸上滴加氧化石墨烯水溶液（4mg/mL），自然干燥后，在纸上形成一层氧化石墨烯薄膜；

2）在步骤1）形成的氧化石墨烯薄膜上滴加氧化钛水溶液（4mg/mL），自然干燥后，在纸上形成氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜；

3）将形成的氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜从纸上揭下，即得到独立存在的氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜。

图2为本实施例制备的氧化石墨烯与氧化钛复合薄膜在紫外光照射下双面接触角的变化曲线，表明随着紫外光照射时间的增加，氧化石墨烯表面逐渐由亲水变为疏水，而氧化钛表面则由疏水变为亲水，复合薄膜的两表面具有亲水性紫外光反向可控调节性能。图3为本实施例制备的氧化石墨烯与氧化钛复合薄膜经过紫外光照射8h后的两表面收集水分情况，可以看出经过8h的紫外光照，氧化石墨烯表面没有任何水分收集，而氧化钛表面具有优异的水分收集性能，表明复合薄膜具有优异的双面亲水性紫外光反向可控调节性能。

实施例二

本实施例包括以下步骤：

1）在塑料膜上滴加氧化石墨烯水溶液（0.5mg/mL），自然干燥后，在塑料膜上形成一层氧化石墨烯薄膜；

2）在步骤1）形成的氧化石墨烯薄膜上滴加氧化钛水溶液（0.2mg/mL），自然干燥后，在塑料膜上形成氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜；

3）将形成的氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜从塑料膜上揭下，即得到独立存在的氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜。

实施例三

本实施例包括以下步骤：

1）在塑料膜上滴加氧化石墨烯水溶液（2mg/mL），自然干燥后，在塑料膜上形成一层氧化石墨烯薄膜；

2）在步骤1）形成的氧化石墨烯薄膜上滴加氧化钛水溶液（2mg/mL），自然干燥后，在塑料膜上形成氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜；

实施例四

本实施例包括以下步骤：

1）在纸上滴加氧化钛水溶液（2mg/mL），自然干燥后，在纸上形成一层氧化钛薄膜；

2）在步骤1）形成的氧化钛薄膜上滴加氧化石墨烯水溶液（2mg/mL），自然干燥后，在纸上形成氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜；

实施例五

本实施例包括以下步骤：

1）在塑料膜上滴加氧化钛水溶液（3mg/mL），自然干燥后，在塑料膜上形成一层氧化钛薄膜；

2）在步骤1）形成的氧化钛薄膜上滴加氧化石墨烯水溶液（3mg/mL），自然干燥后，在塑料膜上形成氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜；

实施例六

本实施例包括以下步骤：

1）在纸上滴加氧化石墨烯水溶液（5mg/mL），自然干燥后，在纸上形成一层氧化石墨烯薄膜；

上述实施例制备的氧化石墨烯与氧化钛复合薄膜均具有双面亲水性紫外光反响可控调节性能。所制备复合薄膜的尺寸可以通过滴加溶液的体积来控制，面积可达1～100cm²，厚度可以通过滴加溶液的浓度来控制，浓度越高，所制备的复合薄膜越厚，其厚度可达500nm～500μm。

本发明所制备的复合薄膜的双面亲水性紫外光反向可控调节的原理如下：氧化石墨烯可以被看做是两表面以及边缘悬挂含氧官能团（例如：羟基、羰基、羧基和环氧基等）的石墨烯薄片，这些含氧官能团使氧化石墨烯薄片具有优异的亲水性。当氧化石墨烯被还原为石墨烯时，其表面含氧官能团数量将减少，并且石墨烯结构中的π键网络将被修复，导致氧化石墨烯表面变得疏水。而氧化钛薄膜在紫外光的照射下，表面由疏水变为亲水。因此，氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜在紫外光的照射下，氧化石墨烯可以被还原为石墨烯，同时实现复合薄膜的双面亲水性的反向可控调节。

Claims

1.一种氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1）在滑面基底上滴加氧化石墨烯水溶液，或滴加氧化钛水溶液，干燥后，在滑面基底上形成一层氧化石墨烯薄膜，或者形成一层氧化钛薄膜；

2）在步骤1）形成的氧化石墨烯薄膜上滴加氧化钛水溶液，或在步骤1）形成的氧化钛薄膜上滴加氧化石墨烯水溶液，干燥后，在基底上形成氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜；

2.根据权利要求1所述的一种氧化石墨烯与氧化钛层状复合薄膜的制备方法，其特征在于：氧化石墨烯水溶液的体积质量浓度为0.5mg/mL-5mg/mL，氧化钛水溶液的体积质量浓度为0.2mg/mL-4mg/mL。