[发明专利]石墨/氧化铝非对称膜及其制备方法

说明书

本发明涉及石墨/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。

技术领域

本发明涉及生物离子通道仿生领域。

背景技术

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.and Meth.in Phys.Rex B,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(Au NPs)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。

发明内容

本发明人等为了解决现有技术存在的问题，经过深入研究后发现，本发明的石墨/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，从而完成了本发明。本发明包括下述的构成。

本发明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。

本发明的石墨/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。

本发明的石墨/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，本发明的石墨/氧化铝非对称膜具有前述的离子整流特性。

本发明的石墨/氧化铝非对称膜的整流特性比为2～6的范围。