CN114950589A - 一种mct/aao异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用，采用超组装策略制备得到MCT/AAO异质超薄膜，之后将其夹在两室电导池之间，两室电导池中加入体积相同的同种电解质溶液，光控双向可调控离子传输通过改变MCT/AAO异质超薄膜两侧外加电场方向或MCT/AAO异质超薄膜两侧电导池中电解质溶液浓差方向，使光调控离子传输或光调控离子渗透传输的电流增大和减小实现。且MCT/AAO异质超薄膜具有规整且垂直联通的纳米通道。因此MCT/AAO异质超薄膜在光门控领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于纳流控传输技术领域，具体涉及一种MCT/AAO异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用。
背景技术
在自然界中光合作用以及视网膜的启发下，各种仿生光控离子传输纳流控器件应运而生。光控离子传输可以实现实时的电信号的调节，呈现出光门控以及光离子泵的效果。目前基于光控离子传输的机理主要分为光致电荷分离、光致通道变化以及光生热效应。其中光致电荷分离主要是存在于一些半导体材料、氧化石墨烯以及一些过渡金属二硫化物。光致通道变化一般主要发生在光响应分子修饰的纳米通道中，经过光照之后可以改变光敏分子的构型，引起通道的表面电荷、通道尺寸或者润湿性的变化，进而导致离子电流的变化。光热现象主要是基于Mxenes材料来实现的。
目前，光控纳流控的构筑可以通过以下几种途径进行：(1)直接采用光敏材料来构筑纳米通道。比如氧化石墨烯膜、二硫化钼膜、Mxenes以及其他过渡金属二硫化物薄膜。(2)将光敏分子修饰到通道内部，常见的光敏分子包括偶氮苯、吡咯、卟啉等。(3)通过光敏分子来间接构筑纳米通道膜，比如基于卟啉单体的MOF膜等。上述方法构筑的光响应纳流控器件存在着一定的问题，比如纳米通道不规整，且只能完成单向的光调控离子传输行为。这限制了光控纳流控器件的应用范围。
发明内容
为解决现有技术的问题，本发明提供了一种基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用。
本发明的具体技术方案如下：
本发明提供的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用，其特征在于，MCT/AAO异质超薄膜作为离子传输膜用于离子光控双向可调控传输，其中MCT/AAO异质超薄膜是基于超组装策略制备得到的介孔碳钛/阳极氧化铝异质结膜。
本发明提供的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用，还可以具有这样的技术特征，MCT/AAO异质超薄膜被夹在两室电导池之间，光控双向可调控离子传输的实现方式为：通过改变MCT/AAO异质超薄膜两侧外加电场方向或MCT/AAO异质超薄膜两侧电导池中电解质溶液浓差方向，使光调控离子传输或光调控离子渗透传输的电流增大和减小。
本发明提供的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用，还可以具有这样的技术特征，光调控离子传输的实现方式为：通过在MCT/AAO异质超薄膜两侧电导池中加入相同浓度的同体积同种电解质溶液，并外加电压和外加光照。
本发明提供的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用，还可以具有这样的技术特征，光调控离子渗透传输的实现方式为：通过在MCT/AAO异质超薄膜两侧电导池中加入不同浓度的同体积同种电解质溶液，并外加光照。
本发明提供的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用，还可以具有这样的技术特征，外加光照为365nm的紫外光照。
本发明提供的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用，还可以具有这样的技术特征，光调控离子传输和光调控离子渗透传输的电流均采用Ag/AgCl电极记录。
本发明提供的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用，还可以具有这样的技术特征，Ag/AgCl电极为较短的Ag/AgCl丝电极。
本发明提供的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用，还可以具有这样的技术特征，其中，MCT/AAO异质超薄膜的制备方法为：步骤S1，配置介孔二氧化钛前驱体溶液，并配制介孔碳钛前驱体溶液；步骤S2，对阳极氧化铝进行单面堵孔，得到单面堵孔阳极氧化铝；步骤S3，将单面堵孔阳极氧化铝的表面刮涂干净，清洗剂清洗得到具有干净表面的单面堵孔阳极氧化铝；步骤S4，在单面堵孔阳极氧化铝的干净堵孔面旋涂介孔碳钛前驱体溶液，得到介孔碳钛/阳极氧化铝膜；步骤S5，将介孔碳钛/阳极氧化铝膜进行煅烧，即得MCT/AAO异质超薄膜。
发明的作用与效果
由于本发明是将MCT/AAO异质超薄膜应用在光控双向可调控离子传输中，MCT/AAO异质超薄膜作为离子传输膜用于离子光控双向可调控传输，其中MCT/AAO异质超薄膜是基于超组装策略制备得到的介孔碳钛/阳极氧化铝异质结膜。MCT/AAO异质超薄膜被夹在两室电导池之间，光控双向可调控离子传输是通过改变MCT/AAO异质超薄膜两侧外加电场方向或MCT/AAO异质超薄膜两侧电导池中电解质溶液浓差方向，使光调控离子传输或光调控离子渗透传输的电流增大和减小实现。
因此本发明的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用，相较于现有技术，首先MCT/AAO异质超薄膜具有规整且垂直联通的纳米通道，其次通过改变MCT/AAO异质超薄膜两侧外加电场方向或MCT/AAO异质超薄膜两侧电导池中电解质溶液浓差方向可以实现光控双向可调控离子传输，因此MCT/AAO异质超薄膜在光门控领域具有更广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子传输的应用图。其中，图1(a)是MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子传输应用时在9次循环光照下的光响应电流变换图；图1(b)MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子传输应用时的装置示意图。
图2是本发明实施例2的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子传输的应用图。其中，图2(a)是MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子传输应用时在9次循环光照下的光响应电流变换图；图2(b)MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子传输应用时的装置示意图。
图3是本发明实施例3的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输的应用图。其中，图3(a)是MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输应用时在5次循环光照下的光响应电流变换图；图3(b)MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输时的装置示意图。
图4是本发明实施例4的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输的应用图。其中，图4(a)是MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输应用时在5次循环光照下的光响应电流变换图；图4(b)MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输时的装置示意图。
图5是本发明实施例5的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输的应用图。其中，图5(a)是MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输应用时在5次循环光照下的光响应电流变换图；图5(b)MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输时的装置示意图。
图6是本发明实施例6的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输的应用图。其中，图6(a)是MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输应用时在5次循环光照下的光响应电流变换图；图6(b)MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输时的装置示意图。
具体实施方式
在本发明中使用的术语，除非另有说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。
在以下实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
下述实施例中所采用的试剂为普通商业途径购得，未注明的实验操作及实验条件参考本领域的常规操作及常规条件。
下述各实施例中所采用的MCT/AAO异质超薄膜相同，均为钛碳比例3g/1.5g的MCT/AAO异质超薄膜，其制备过程中所采用的阳极氧化铝(AAO)为商业AAO膜，厚度为60μm，孔径大小为80nm，形状为直径15mm的圆形基底，MCT/AAO异质超薄膜的制备包括如下步骤：
步骤S1，配置介孔二氧化钛前驱体溶液，并配制介孔碳钛前驱体溶液，
配置介孔二氧化钛前驱体溶液的具体过程为：
将42g乙醇溶于7g去离子水中，得到乙醇水溶液，将乙醇水溶液在0℃冰水浴中搅拌10min至均匀，将12g四氯化钛缓慢滴加到乙醇水溶液中，在0℃冰水浴中继续搅拌60min至均匀，即得黄绿色的介孔二氧化钛前驱体溶液，
配制介孔碳钛前驱体溶液的具体过程为：
将0.8g F127溶解于10g无水乙醇中，加入0.43g去离子水，超声分散至澄清，500r下磁力搅拌30min，得到介孔碳钛前驱体模板剂F127溶液，向介孔碳钛前驱体模板剂F127溶液加入50μL醋酸，得到混合溶液一，向混合溶液一加入3g介孔二氧化钛前驱体溶液，搅拌1h至澄清，得到混合溶液二，向混合溶液二加入1.5g碳源resol，室温500r磁力搅拌30min至澄清，即得介孔碳钛前驱体溶液，
其中，碳源resol的配置过程为：
将2.44g苯酚加入到100ml的两颈烧瓶中，在45℃加热熔融至完全融化，加入0.52g的20wt％氢氧化钠水溶液，搅拌10min至均匀，加入4.2g甲醛，油浴锅升至70℃，搅拌1h至均匀，用盐酸调节pH至中性，旋蒸除去水分，即得碳源resol；
步骤S2，对阳极氧化铝(AAO)进行单面堵孔，得到单面堵孔阳极氧化铝，具体步骤为：
步骤S2-1，配制10wt％的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶液，
步骤S2-2，将聚甲基丙烯酸甲酯溶液旋涂到阳极氧化铝的一面，旋涂转速3500rad/min，旋涂时间30s，室温下干燥2h，得到聚甲基丙烯酸甲酯溶液旋涂阳极氧化铝，
步骤S2-3，将聚甲基丙烯酸甲酯溶液旋涂阳极氧化铝放到200℃的烘箱中6h，即得单面堵孔阳极氧化铝；
步骤S3，采用1000目的砂纸将单面堵孔阳极氧化铝表面的PMMA刮涂干净，之后分别用去离子水和乙醇清洗3次，得到具有干净表面的单面堵孔阳极氧化铝；
步骤S4，在单面堵孔阳极氧化铝的干净堵孔面旋涂介孔碳钛前驱体溶液，得到介孔碳钛/阳极氧化铝膜，具体步骤为：
步骤S4-1，将单面堵孔阳极氧化铝的未堵孔面粘贴到玻璃片上，
步骤S4-2，将200μL介孔碳钛前驱体溶液旋涂到单面堵孔阳极氧化铝的干净堵孔面，旋涂转速为3500rad/min，旋涂时间为60s，得到介孔碳钛旋涂阳极氧化铝，
步骤S4-3，将介孔碳钛旋涂阳极氧化铝放在35℃的烘箱中蒸发诱导自组装24h，然后将温度升高至100℃，热处理24h，即得介孔碳钛/阳极氧化铝膜；
步骤S5，将介孔碳钛/阳极氧化铝膜进行煅烧，首先以1℃/min升温至400℃，然后在该温度下恒温煅烧5h，去除模板剂F127和多余的PMMA，即得钛碳比例3g/1.5g的介孔碳钛/阳极氧化铝异质结膜(MCT/AAO异质超薄膜)。
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
<实施例1>
本实施例提供了一种基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子传输的应用，外加电压为0.1V。
将MCT/AAO异质超薄膜夹在H-型电导池的两室电导池之间，两室电导池中加入10- 4M的相同体积的KCl电解质溶液，连接Ag/AgCl丝电极，正极连接在MCT侧，外加电压为0.1V，365nm的紫外光光照20s，Ag/AgCl丝电极记录电流变化。
定义光照后的电流与未光照时的电流差值的绝对值为光响应电流，光响应电流与测试面积的比值为光响应电流密度，测试面积固定为12.56cm2。
图1是本发明实施例1的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子传输的应用图。其中，图1(a)是MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子传输应用时在9次循环光照下的光响应电流变换图；图1(b)MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子传输应用时的装置示意图。如图1(a)所示，MCT/AAO异质超薄膜的光调控离子传输电流在光照下会明显增大，光响应电流密度为2.75±0.12mA/m2。
<实施例2>
本实施例提供了一种基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子传输的应用，外加电压为-0.1V。
将MCT/AAO异质超薄膜夹在H-型电导池的两室电导池之间，两室电导池中加入10- 4M的相同体积的KCl电解质溶液，连接Ag/AgCl丝电极，正极连接在MCT侧，外加电压为-0.1V，365nm的紫外光光照20s，Ag/AgCl丝电极记录电流变化。
图2是本发明实施例2的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子传输的应用图。其中，图2(a)是MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子传输应用时在9次循环光照下的光响应电流变换图；图2(b)MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子传输应用时的装置示意图。如图2(a)所示，MCT/AAO异质超薄膜的光调控离子传输电流在光照下电流的绝对值明显降低，光响应电流密度为2.38±0.07mA/m2。
由实施例1和实施例2的结果可知，通过改变MCT/AAO异质超薄膜两侧外加电场方向可以使光调控离子传输的电流正相增大和负相减小，实现双向可调控的光控离子传输。
<实施例3>
本实施例提供了一种基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输的应用，高浓度电解质溶液和正极在MCT侧。
将MCT/AAO异质超薄膜夹在H-型电导池的两室电导池之间，MCT侧的电导池中加入0.5M的NaCl电解质溶液，AAO侧的电导池中加入相同体积的0.01M的NaCl电解质溶液，连接Ag/AgCl丝电极，正极连接在MCT侧，365nm的紫外光光照20s，Ag/AgCl丝电极记录电流变化。
图3是本发明实施例3的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输的应用图。其中，图3(a)是MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输应用时在5次循环光照下的光响应电流变换图；图3(b)MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输时的装置示意图。如图3(a)所示，MCT/AAO异质超薄膜的光调控离子渗透传输电流在光照下电流降低，表明MCT/AAO异质超薄膜捕获渗透能的能力降低。
<实施例4>
本实施例提供了一种基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输的应用，高浓度电解质溶液在AAO侧，正极在MCT侧。
将MCT/AAO异质超薄膜夹在H-型电导池的两室电导池之间，MCT侧的电导池中加入0.01M的NaCl电解质溶液，AAO侧的电导池中加入相同体积的0.5M的NaCl电解质溶液，连接Ag/AgCl丝电极，正极连接在MCT侧，365nm的紫外光光照20s，Ag/AgCl丝电极记录电流变化。
图4是本发明实施例4的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输的应用图。其中，图4(a)是MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输应用时在5次循环光照下的光响应电流变换图；图4(b)MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输时的装置示意图。如图4(a)所示，MCT/AAO异质超薄膜的光调控离子渗透传输电流在光照下电流的绝对值增大，表明MCT/AAO异质超薄膜捕获渗透能的能力增强。
<实施例5>
本实施例提供了一种基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输的应用，高浓度电解质溶液在MCT侧，正极在AAO侧。
将MCT/AAO异质超薄膜夹在H-型电导池的两室电导池之间，MCT侧的电导池中加入0.5M的NaCl电解质溶液，AAO侧的电导池中加入相同体积的0.01M的NaCl电解质溶液，连接Ag/AgCl丝电极，正极连接在AAO侧，365nm的紫外光光照20s，Ag/AgCl丝电极记录电流变化。
图5是本发明实施例5的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输的应用图。其中，图5(a)是MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输应用时在5次循环光照下的光响应电流变换图；图5(b)MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输时的装置示意图。如图5(a)所示，MCT/AAO异质超薄膜的光调控离子渗透传输电流在光照下电流的绝对值降低，表明MCT/AAO异质超薄膜捕获渗透能的能力降低。
<实施例6>
本实施例提供了一种基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输的应用，高浓度电解质溶液和正极在AAO侧。
将MCT/AAO异质超薄膜夹在H-型电导池的两室电导池之间，MCT侧的电导池中加入0.01M的NaCl电解质溶液，AAO侧的电导池中加入相同体积的0.5M的NaCl电解质溶液，连接Ag/AgCl丝电极，正极连接在AAO侧，365nm的紫外光光照20s，Ag/AgCl丝电极记录电流变化。
图6是本发明实施例6的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输的应用图。其中，图6(a)是MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输应用时在5次循环光照下的光响应电流变换图；图6(b)MCT/AAO异质超薄膜在光调控离子渗透传输时的装置示意图。如图6(a)所示，MCT/AAO异质超薄膜的光调控离子渗透传输电流在光照下电流增大，表明MCT/AAO异质超薄膜捕获渗透能的能力增强。
由实施例3～6的结果可知，MCT/AAO异质超薄膜的光调控离子渗透传输电流的双向调控是通过改变MCT/AAO异质超薄膜两侧电导池中电解质溶液浓差方向实现的。当MCT侧的电导池中加入高浓度电解质溶液时，光调控离子渗透传输电流的绝对值降低，MCT/AAO异质超薄膜捕获渗透能的能力降低；当MCT侧的电导池中加入低浓度电解质溶液时，光调控离子渗透传输电流的绝对值升高，MCT/AAO异质超薄膜捕获渗透能的能力增强。
综上所述，基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜可作为离子传输膜用于离子光控双向可调控传输，MCT/AAO异质超薄膜被夹在两室电导池之间，光控双向可调控离子传输通过改变MCT/AAO异质超薄膜两侧外加电场方向或MCT/AAO异质超薄膜两侧电导池中电解质溶液浓差方向，使光调控离子传输或光调控离子渗透传输的电流增大和减小实现；且MCT/AAO异质超薄膜具有规整且垂直联通的纳米通道。因此MCT/AAO异质超薄膜在光门控领域具有广阔的应用前景。
以上是对实施例的详细描述，方便本领域的技术人员能正确理解和使用本发明。凡本领域的技术人员依据本发明在现有技术基础上，不经过创新性的劳动，仅通过分析、类推或有限列举等方法得到的改进或修改技术方案，都应该在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用，其特征在于，MCT/AAO异质超薄膜作为离子传输膜用于离子光控双向可调控传输，其中MCT/AAO异质超薄膜是基于超组装策略制备得到的介孔碳钛/阳极氧化铝异质结膜。
2.根据权利要求1所述的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用，其特征在于，所述MCT/AAO异质超薄膜被夹在两室电导池之间，所述光控双向可调控离子传输的实现方式为：通过改变所述MCT/AAO异质超薄膜两侧外加电场方向或所述MCT/AAO异质超薄膜两侧电导池中电解质溶液浓差方向，使光调控离子传输或光调控离子渗透传输的电流增大和减小。
3.根据权利要求2所述的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用，其特征在于，所述光调控离子传输的实现方式为：通过在所述MCT/AAO异质超薄膜两侧电导池中加入相同浓度的同体积同种电解质溶液，并外加电压和外加光照。
4.根据权利要求2所述的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用，其特征在于，所述光调控离子渗透传输的实现方式为：通过在所述MCT/AAO异质超薄膜两侧电导池中加入不同浓度的同体积同种电解质溶液，并外加光照。
5.根据权利要求3或4所述的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用，其特征在于，所述外加光照为365nm的紫外光照。
6.根据权利要求2所述的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用，其特征在于，所述光调控离子传输和所述光调控离子渗透传输的电流均采用Ag/AgCl电极记录。
7.根据权利要求6所述的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用，其特征在于，所述Ag/AgCl电极为较短的Ag/AgCl丝电极。
8.根据权利要求1所述的基于超组装策略得到的MCT/AAO异质超薄膜在光控双向可调控离子传输的应用，其特征在于，
其中，所述MCT/AAO异质超薄膜的制备方法如下：
步骤S1，配置介孔二氧化钛前驱体溶液，并配制介孔碳钛前驱体溶液；
步骤S2，对阳极氧化铝进行单面堵孔，得到单面堵孔阳极氧化铝；
步骤S3，将所述单面堵孔阳极氧化铝的表面刮涂干净，清洗剂清洗得到具有干净表面的所述单面堵孔阳极氧化铝；
步骤S4，在所述单面堵孔阳极氧化铝的干净堵孔面旋涂所述介孔碳钛前驱体溶液，得到介孔碳钛/阳极氧化铝膜；
步骤S5，将所述介孔碳钛/阳极氧化铝膜进行煅烧，即得所述MCT/AAO异质超薄膜。
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