CN108636397A - 一种多功能涂层及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多功能涂层及其制备方法与应用，该涂层包括均匀分散的纳米SnO2和石墨烯，其中，石墨烯的占涂层总质量的0～30％，且不为0，制备时将石墨烯分散液和SnO2分散液混合，得到混合液，然后通过喷涂装置将混合液喷涂至基底上，加热烘干，即得所述多功能涂层，该涂层可用于用于半导体光催化剂以处理空气污染或水污染；或者，所述多功能涂层用于应变传感器。与现有技术相比，本发明利用石墨烯对SnO2的支撑分散作用，改善了SnO2的光催化性能。同时利用石墨烯的电学性能，制备出兼具光催化性能和应变敏感性能的多功能涂层，拓宽了光催化半导体在治理环境污染的领域应用。
Description
技术领域
本发明涉及光催化技术领域，具体涉及一种多功能涂层及其制备方法与应用。
背景技术
当今社会，各类半导体光催化剂被广泛应用于各个领域，并引起了人们的高度关注。其中，如何利用半导体光催化剂对空气污染、水体污染等热点问题提出有效的解决方案，已然成为各位研究人员所密切关注的话题。
SnO2半导体具有独特的电子结构，在外界紫外光的照射下，价带电子会吸收紫外光的能量进而受到激发。当价带电子吸收到足够的能量，便会跃迁至导带中形成光生电子。与此同时，在价带中会留下相应的空穴。光生电子空穴对具有极强的氧化性，可以把吸附在SnO2纳米颗粒表面的污染物进行光降解。此外，当SnO2半导体纳米颗粒处于纳米尺度上时，才会显现出良好的光催化性。然而在光催化过程中，SnO2半导体纳米颗粒的团聚以及电子空穴对的复合现象会影响到SnO2半导体纳米颗粒的光催化性能。这两个难题大大限制了SnO2半导体纳米颗粒在光催化领域的应用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多功能涂层及其制备方法与应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种多功能涂层，该涂层包括均匀分散的纳米SnO2和石墨烯，其中，石墨烯的占涂层总质量的0～30％，且不为0。
本发明是在SnO2中加入石墨烯，是因为石墨烯良好的电学性能可以有效地在光催化过程中对光生电子进行转移，防止电子空穴对的复合。同时，石墨烯可以很好地支撑分散SnO2纳米颗粒，抑制其团聚现象的出现，这两点都能有效改善SnO2的光催化性能。同时，由于石墨烯具有优异的电化学稳定性，快速的电荷传递速率以及优异的机械性能，使得石墨烯可以作为制备各种传感器器件的理想材料。此外，适量的SnO2的存在破坏了部分涂层内原本能够导通的导电通路，使得涂层在外界应力作用下，表现出更高的应变敏感性能。
所述纳米SnO2的粒径为70～90nm。
一种如上所述多功能涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯纳米片或氧化石墨烯置于水中，超声配置成混合均匀的石墨烯分散液，待用；
(2)将纳米SnO2粉末置于水中，超声得到均匀分散的SnO2分散液，待用；
(3)将配置好的石墨烯分散液和SnO2分散液混合，得到混合液，其中石墨烯纳米片或氧化石墨烯占总固含量的0～30％，且不为0，然后加入水合肼还原氧化石墨烯，得到SnO2/rGO混合液，然后通过喷涂装置将混合液喷涂至基底上，加热烘干，即得所述多功能涂层。加入水合肼是为了还原氧化石墨烯，若原料使用的是石墨烯纳米片，则不需要添加水合肼，水合肼的添加量是刚好将氧化石墨烯还原完全。
述石墨烯纳米片或氧化石墨烯在水中超声1～2h得到浓度为1～3mg/mL的石墨烯分散液。
所述石墨烯纳米片选用XG科学公司生产的C750规格的石墨烯纳米片，氧化石墨烯可以由石墨烯纳米片通过Hummers法实验室制备得到。
所述纳米SnO2粉末置于水中超声1～2h得到SnO2分散液。
基底表面预涂苯丙乳液。基底表面预涂苯丙乳液不仅可以抑制石墨烯和SnO2的脱落现象，而且苯丙乳液具有良好的柔性，断裂伸长率大，弹性变形范围大等特点，使得苯丙乳液非常适合作为应变传感器的基底材料。
所述烘干的温度为70～90℃。
一种如上所述多功能涂层的应用，该多功能涂层用于半导体光催化剂以处理空气污染或水污染。
所述多功能涂层用于应变传感器，使用时，将涂层喷涂在涂有苯丙乳液的基体上，待涂层成型后，在涂层两端通电，并检测涂层电阻的变化，从而判断基体应力的变化。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：
(1)利用石墨烯对SnO2的支撑分散作用，改善了SnO2的光催化性能。同时利用石墨烯的电学性能，制备出兼具光催化性能和应变敏感性能的多功能涂层，拓宽了光催化半导体在治理环境污染的领域应用；
(2)本发明的涂层由于石墨烯的存在，使得涂层还可以作为应变传感器使用。涂层拓展了石墨烯在损伤检测、材料疲劳测试等领域的应用。
附图说明
图1为实施例1中SnO2/rGO涂层的SEM照片；
图2为实施例1中SnO2/GNP涂层的SEM照片；
图3为对比例1中纯SnO2涂层的SEM照片；
图4为实施例2中使用Coating(1)-S-x％GNP涂层对甲基橙溶液进行光降解后的紫外可见光谱；
图5为实施例2中使用Coating(2)-S-x％rGO涂层对甲基橙溶液进行光降解后的紫外可见光谱；
图6为实施例3中Coating(1)-S-x％GNP涂层和Coating(2)-S-x％rGO涂层的电阻随GNP(或者rGO)含量的变化关系图；
图7为实施例3中Coating(1)-S-x％GNP涂层的电阻随应变的变化关系图；
图8为实施例3中Coating(2)-S-x％rGO涂层的电阻随应变的变化关系图；
图9为实施例3中对Coating(1)-S-x％GNP涂层和Coating(2)-S-x％rGO涂层的电阻变化率随应变变化曲线进行线性拟合后得到的应变敏感系数(GF)随GNP(或者rGO)含量的变化关系图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
选用XG科学公司生产的C750规格的石墨烯纳米片(GNP)配置出2mg/mL的石墨烯纳米片分散溶液后超声1h，得到分散均匀的石墨烯纳米片分散液。采用改进的Hummers法实验室制备得到氧化石墨烯。用制备好的氧化石墨烯配制出2mg/mL的氧化石墨烯分散液后超声1h，得到分散均匀的氧化石墨烯分散液。使用纳米尺度的SnO2配制出1mg/mL的SnO2水溶液，超声1h后，得到均匀分散得的SnO2水溶液。
在2个容量为100mL的烧杯分别中加入40mL的SnO2水溶液。依次量取6.7mL的石墨烯纳米片分散液和氧化石墨烯分散液并分别加入两个装有SnO2水溶液的烧杯中，磁力搅拌均匀后再超声处理1h得到均匀分散的SnO2/GNP混合溶液和SnO2/GO混合溶液。在装有SnO2/GO混合溶液的烧杯中加入适量水合肼，然后在90℃水浴条件下磁力搅拌1h，得到均匀分散的SnO2/rGO混合溶液。在2个烧杯上分别贴上标签，写上S-25％GNP，S-25％rGO，(25％分别代表石墨烯纳米片和氧化石墨烯的质量分数，0％代表溶液中不含石墨烯)，然后用喷涂装置将配置好的SnO2/GNP混合溶液，SnO2/rGO混合溶液分别喷涂到基底材料上，得到不同类型的涂层(SnO2/GNP涂层和SnO2/rGO涂层)。基底材料为橡胶片(10mm*100mm*0.5mm)，基底材料上已经事先喷涂了一层苯丙乳液，喷涂石墨烯/SnO2混合溶液过程中，基底材料置于80℃加热台上。
对比例1
取一个100mL的烧杯，只加入40mL的SnO2水溶液作为对照组，标记S-0％GNP，后用喷涂装置将配置好的SnO2水溶液喷涂到于是实力相同的基底材料上，喷涂过程中，基底材料置于80℃加热台上。
将实施例1和对比例1得到的三个样品进行SEM检测，得到的结果分别如图1～图3所示，从中我们可以看出，纯SnO2涂层表面的SnO2纳米颗粒发生严重的团聚。对于SnO2/GNP涂层与SnO2/rGO涂层，在引入石墨烯之后，SnO2纳米颗粒能够很好地分散石墨烯上，其尺寸维持在纳米尺度上。
实施例2
选用XG科学公司生产的C750规格的石墨烯纳米片(GNP)配置出2mg/mL的石墨烯纳米片分散溶液后超声1h，得到分散均匀的石墨烯纳米片分散液。采用改进的Hummers法实验室制备得到氧化石墨烯。用制备好的氧化石墨烯配制出2mg/mL的氧化石墨烯分散液后超声1h，得到分散均匀的氧化石墨烯分散液。使用纳米尺度的SnO2配制出1mg/mL的SnO2水溶液，超声1h后，得到均匀分散得的SnO2水溶液。
取6个100mL的烧杯，分别在6个烧杯中加入40mL的SnO2水溶液。依次量取1.1mL，2.2mL，3.5mL，5mL，6.7mL和8.6mL的石墨烯纳米片分散液并分别加入6个装有SnO2水溶液的烧杯中，磁力搅拌均匀后再超声处理1h得到均匀分散的SnO2/GNP混合溶液。另取一个100mL的烧杯，只加入40mL的SnO2水溶液作为对照组。在7个烧杯上分别贴上标签，写上S-x％GNP(x代表石墨烯纳米片的质量分数，x＝0,5,10,15,20,25,30，x＝0代表溶液中不含石墨烯纳米片)。再次取6个100mL的烧杯，分别在6个烧杯中加入40mL的SnO2水溶液。依次量取1.1mL，2.2mL，3.5mL，5mL，6.7mL和8.6mL的氧化石墨烯分散液并分别加入6个装有SnO2水溶液的烧杯中，磁力搅拌均匀后再超声处理1h，在磁力搅拌的同时向每个烧杯中加入适量的水合肼，然后在90℃水浴条件下磁力搅拌1h，得到均匀分散的SnO2/rGO混合溶液。在六个烧杯上分别贴上标签，写上S-x％rGO(x代表氧化石墨烯的质量分数，x＝5，10，15，20，25，30)。用喷涂装置将配置好的SnO2/GNP混合溶液，SnO2/rGO混合溶液以及对照组SnO2水溶液分别喷涂到基底材料上，得到不同类型的涂层。为了便于分析，将制备的涂层记作Coating(1)-S-x％GNP和Coating(2)-S-x％rGO(S代表SnO2，x分别代表GNP和rGO的质量分数，x的取值分别为0，5，10，15，20，25，30。其中，x＝0表示制备的涂层不含GNP，Coating-S-0％GNP将作为对照组以便于进行数据分析)。基底材料为橡胶片(10mm*100mm*0.5mm)，基底材料上已经事先喷涂了一层苯丙乳液，喷涂石墨烯/SnO2混合溶液过程中，基底材料置于80℃加热台上。分别使用Coating(1)-S-x％GNP涂层和Coating(2)-S-x％rGO涂层对甲基橙溶液进行光催化降解。
图4为使用Coating(1)-S-x％GNP涂层对甲基橙溶液进行光降解后的紫外可见光谱。图5为使用Coating(2)-S-x％rGO涂层对甲基橙溶液进行光降解后的紫外可见光谱。两种涂层的光催化性能随着GNP(或者rGO)含量的增加呈现出先上升后下降的趋势。这说明适量的GNP(或者rGO)可有效提高SnO2的光催化性能。
实施例3
选用XG科学公司生产的C750规格的石墨烯纳米片(GNP)配置出2mg/mL的石墨烯纳米片分散溶液后超声1h，得到分散均匀的石墨烯纳米片分散液。采用改进的Hummers法实验室制备得到氧化石墨烯。用制备好的氧化石墨烯配制出2mg/mL的氧化石墨烯分散液后超声1h，得到分散均匀的氧化石墨烯分散液。使用纳米尺度的SnO2配制出1mg/mL的SnO2水溶液，超声1h后，得到均匀分散得的SnO2水溶液。
取6个100mL的烧杯，分别在6个烧杯中加入40mL的SnO2水溶液。依次量取1.1mL，2.2mL，3.5mL，5mL，6.7mL和8.6mL的石墨烯纳米片分散液并分别加入6个装有SnO2水溶液的烧杯中，磁力搅拌均匀后再超声处理1h得到均匀分散的SnO2/GNP混合溶液。在6个烧杯上分别贴上标签，写上S-x％GNP(x代表石墨烯纳米片的质量分数，x＝5,10,15,20,25,30)。再次取6个100mL的烧杯，分别在6个烧杯中加入40mL的SnO2水溶液。依次量取1.1mL，2.2mL，3.5mL，5mL，6.7mL和8.6mL的氧化石墨烯分散液并分别加入6个装有SnO2水溶液的烧杯中，磁力搅拌均匀后再超声处理1h，在磁力搅拌的同时向每个烧杯中加入适量的水合肼，然后在90℃水浴条件下磁力搅拌1h，得到均匀分散的SnO2/rGO混合溶液。在六个烧杯上分别贴上标签，写上S-x％rGO(x代表氧化石墨烯的质量分数，x＝5，10，15，20，25，30)。用喷涂装置将配置好的SnO2/GNP混合溶液和SnO2/rGO混合溶液分别喷涂到基底材料上，得到不同类型的涂层。为了便于分析，将制备的涂层记作Coating(1)-S-x％GNP和Coating(2)-S-x％rGO(S代表SnO2，x分别代表GNP和rGO的质量分数，x的取值分别为5，10，15，20，25，30)。基底材料为橡胶片(10mm*100mm*0.5mm)，基底材料上已经事先喷涂了一层苯丙乳液，喷涂石墨烯/SnO2混合溶液过程中，基底材料置于80℃加热台上。
在制备好的Coating(1)-S-x％GNP涂层和Coating(2)-S-x％rGO涂层的两端使用导电胶接入铜导线(石墨填充型导电胶，密度1.65g/cm3；体积电阻率10-2～10-3Ω·cm；工作温度区间-40～1000℃)，连接上电学测试设备，得到与待检测物一体化的基于石墨烯/二氧化锡涂层的层状结构应变传感器。
图6为Coating(1)-S-x％GNP涂层和Coating(2)-S-x％rGO涂层的电阻随GNP(或者rGO)含量的变化关系图。两种涂层的电阻随着GNP(或者rGO)含量的增加呈现出先下降后保持不变的趋势，说明涂层的导电性随着GNP(或者rGO)含量的增加而上升，当GNP(或者rGO)含量过多时，涂层的导电性不再发生变化。
图7为Coating(1)-S-x％GNP涂层的电阻随应变的变化关系图。图8为Coating(2)-S-x％rGO涂层的电阻随应变的变化关系图。两种涂层的电阻和外界应变之间存在着一定的线性关系，具备作为应变传感器的基础条件。
图9为对Coating(1)-S-x％GNP涂层和Coating(2)-S-x％rGO涂层的电阻变化率随应变变化曲线进行线性拟合后得到的应变敏感系数(GF)随GNP(或者rGO)含量的变化关系图。两种涂层的应变敏感性能在GNP(或者rGO)含量较小时呈现出更好地应变敏感性能。
Claims (10)
1.一种多功能涂层，其特征在于，该涂层包括均匀分散的纳米SnO2和石墨烯，其中，石墨烯的占涂层总质量的0～30％，且不为0。
2.根据权利要求1所述的一种多功能涂层，其特征在于，所述纳米SnO2的粒径为70～90nm。
3.一种如权利要求1或2所述多功能涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将石墨烯纳米片或氧化石墨烯置于水中，超声配置成混合均匀的石墨烯分散液，待用；
(2)将纳米SnO2粉末置于水中，超声得到均匀分散的SnO2分散液，待用；
(3)将配置好的石墨烯分散液和SnO2分散液混合，得到混合液，其中石墨烯纳米片或氧化石墨烯占总固含量的0～30％，且不为0，然后加入水合肼还原氧化石墨烯，得到SnO2/rGO混合液，然后通过喷涂装置将混合液喷涂至基底上，加热烘干，即得所述多功能涂层。
4.根据权利要求3所述的一种多功能涂层的制备方法，其特征在于，所述石墨烯纳米片或氧化石墨烯在水中超声1～2h得到浓度为1～3mg/mL的石墨烯分散液。
5.根据权利要求3所述的一种多功能涂层的制备方法，其特征在于，所述石墨烯纳米片选用XG科学公司生产的C750规格的石墨烯纳米片。
6.根据权利要求3所述的一种多功能涂层的制备方法，其特征在于，所述纳米SnO2粉末置于水中超声1～2h得到SnO2分散液。
7.根据权利要求3所述的一种多功能涂层的制备方法，其特征在于，所述基底表面预涂苯丙乳液。
8.根据权利要求3所述的一种多功能涂层的制备方法，其特征在于，所述烘干的温度为70～90℃。
9.一种如权利要求1或2所述多功能涂层的应用，其特征在于，该多功能涂层用于半导体光催化剂以处理空气污染或水污染。
10.一种如权利要求1或2所述多功能涂层的应用，其特征在于，所述多功能涂层用于应变传感器，使用时，将涂层喷涂在涂有苯丙乳液的基体上，待涂层成型后，在涂层两端通电，并检测涂层电阻的变化，从而判断基体应力的变化。
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