ACS Nano: 離子擴散定向裝配多層氧化石墨烯涂層

【引言】

層層自組裝法自1992年被發明以來被廣泛應用于多層涂覆物的組裝，但受傳統自組裝法本身效率和流程的限制，該方法通常只能制備小于100nm厚的薄膜，且相當耗費時間。為了達到微米級厚度膜的高效制備，很多方法被發明出來，例如旋涂輔助層層自組裝法。該方法雖然一定程度提高了制備效率，但很難保證所制備膜的均一性，且其效率仍難以滿足微米級厚的薄膜的制備。氧化石墨烯作為構建多種功能材料的基礎單元，在儲能、電催化、分離器等諸多領域有著廣泛的應用前景。很多研究集中在氧化石墨烯納米級厚膜的組裝，但有限的厚度極大限制了其應用。因此，找到一種快速高效的微米級氧化石墨烯膜自組裝的方法對于其應用來說至關重要。

【成果簡介】

?近日，浙江大學高超教授課題組在ACS Nano上發表了題為“Ion Diffusion-Directed Assembly Approach to Ultrafast Coating of Graphene Oxide Thick Multilayers”的文章，通訊作者是高微微和高超。研究者利用離子擴散定向組裝(IDDA)的策略，一步快速制備了可在不同基底涂覆的微米級厚度的氧化石墨烯（GO）膜。存在于基底表面的金屬離子由于濃度差，會自發的從基底向GO溶液擴散，在這個過程中GO通過溶膠凝膠轉變被層層組裝在基底表面，一個循環可涂覆10um厚的膜。該方法主要有三個優點：（1）微米級的高效涂覆；（2）厚度及均一性可控；（3）適用于各種不同基底。該方法極大優化了氧化石墨烯涂層的組裝效率，促進了其在超電、電磁屏蔽、防腐涂層等方面的應用。同時該方法也可推廣至其它材料，在規模化制備多功能涂層材料上有著廣泛的應用潛力。

【圖文導讀】

?圖1 方法示意圖

目標基底吸附電解液后浸入到GO溶液中，隨著離子擴散GO層層組裝在基底表面。

圖2 照片及表征

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a-c, 分別為濾紙、聚丙烯膜和銅線襯底IDDA涂覆和傳統涂覆GO的對比照片；

d-f, 分別為純GO分散液和IDDA組裝交聯GO凝膠在穩態掃描、動態掃描和應變掃描模式下的流變性質；

g, 不同停留時間下提拉過程中牽引力和距離關系曲線；

h, 不同停留時間下涂覆GO凝膠的銅線照片；

i-k，分別為冷凍干燥銅表面GO涂覆層截面的SEM照片及碳和鈣元素的成像圖；

l-n, 分別為自然干燥銅表面GO涂覆層截面的SEM照片及碳和鈣元素的成像圖。

圖3 厚度影響因素及其它復合結構膜

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a, 涂覆的凝膠質量與不同電解液濃度關系圖；

b, 以 BaCl₂為交聯劑，在不同GO濃度下涂覆的凝膠質量；

c, pH對涂覆凝膠質量的影響；

d, 溶劑極性對涂覆凝膠質量的影響；

e, 電解液濃度對涂覆凝膠厚度的影響；

f-g, 分別為0.1M和0.3M CaCl₂涂覆GO層的SEM截面圖；

h-i, IDDA組裝兩個循環后的涂層截面的SEM圖；

j-l, IDDA組裝的GO/CNT復合膜截面的SEM圖；

m-o, IDDA組裝的GO/Fe₃O₄復合膜截面的SEM圖。

圖4 不同基底的IDDA組裝涂覆

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a-c, 分別為涂覆GO凝膠的紙和其紫外-可見光吸收曲線；

d-k，在各種不同基底下涂覆GO凝膠；

l-n, 分別為在銅纖維上涂覆形成空心石墨烯管的側面和截面的SEM圖。

圖5 不同應用的示意圖及表征

a-c, IDDA組裝的超級電容器照片及性能測試；

d-f, 紡織品表面組裝的還原GO膜及其電磁屏蔽性能測試；

g, 部分涂覆GO的銅線浸入FeCl₃溶液；

h, 浸沒12h后的照片;

i-j, 除去GO涂層后的照片。

?【小結】

研究者利用離子擴散定向組裝的策略，一步快速制備了可在不同基底涂覆的微米級厚度的氧化石墨烯膜，極大地優化了氧化石墨烯涂層的組裝效率，促進了其在超級電容器、電磁屏蔽、防腐涂層等方面的應用。同時，該方法也可推廣至其它材料，在規模化制備多功能涂層材料上有著廣泛的應用潛力。

文獻鏈接：Ion Diffusion-Directed Assembly Approach to Ultrafast Coating of Graphene Oxide Thick Multilayers（ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.7b03480）

本文由材料人編輯部納米學術組張濤麟編譯整理， 點我加入材料人編輯部。

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