哈爾濱工業大學Adv. Funct. Mater.：新型石墨烯基開孔微球網絡，實現超疏水與超親水性的超快可逆轉化

【引言】

具有可逆超浸潤性（在空氣中表現為超疏水或超親水性）的智能材料在自清潔，可控油水分離以及微液滴操縱等方面具有重要的應用價值。目前通過施加外場，如紫外光輻照，等離子體處理，調控溫度及pH等，實現材料表面超疏水性與超親水性間的可逆轉化已經成為一個研究熱點。但是較長的轉化時間和復雜的轉化工藝嚴重限制了此類材料的實際應用。

【成果簡介】

近日，哈爾濱工業大學復合材料與結構研究所赫曉東教授，王榮國教授團隊通過皮克林乳液技術和蒸汽溢出的簡單方法研制出了一種超疏水的石墨烯基材料。該材料具有微納分級網絡結構，其表面通過等離子處理1 s后便能從超疏水狀態轉化為超親水狀態，顯著縮短了轉化時間（文獻可見報道最短轉化時間為25 s）。這種具有超親水性的OCGN在水下表現出超疏油性，并且其對水下油滴的黏附性可控，利用此種特性可完成水下微油滴的定向運輸。同時，該材料還具備通電發熱的特性，僅在施加低電壓的條件下，就能在短時間內達到高溫狀態。結合電熱特性，該團隊首次利用焦耳熱在最短1 min時間內實現了OCGN表面超疏水性的超快恢復。這種具有超快可逆轉化的超浸潤材料在構建智能超浸潤表面領域具有廣闊的應用前景。相關研究成果以“Ultrafast, Reversible Transition of Superwettability of Graphene Network and Controllable Underwater Oil Adhesion for Oil Microdroplet Transportation”為題發表在Advanced Functional Materials?期刊上。博士生丁國民為第一作者，指導老師為王榮國教授和矯維成教授，并為共同通訊作者，哈爾濱工業大學為該論文唯一署名單位。

【圖文解讀】

圖1 石墨烯基開孔微球網絡結構（OCGN）的物理結構

a）原始OCGN的SEM圖像和疏水角；

b）空氣等離子體處理10 s 后OCGN的SEM圖像和疏水角；

c）通過焦耳熱恢復后OCGN的SEM圖像和疏水角；

d）OCGN開孔微球網絡結構的形成機理；

e）通過焦耳熱恢復后OCGN的放大SEM圖像。

圖2 不同OCGN的化學結構

a）不同OCGN的XPS Survey scan圖譜；

b）不同OCGN的O/C比例；

c）不同OCGN的拉曼圖譜；

d-f） 不同OCGN的C 1s圖譜。

圖3 等離子處理時間與親水性的關系

a）等離子體處理時間與OCGN及還原石墨烯膜（RGF）表面接觸角關系；

b）不同等離子體處理時間后，OCGN和 RGF的接觸角照片；

c）水滴在OCGN上的鋪展照片；

d）水滴在不同OCGN上的鋪展時間。

圖4 OCGN的焦耳熱性能與超疏水性的恢復

a）不同OCGN的焦耳熱性能曲線；

b）通電狀態下OCGN的紅外熱像圖；

c）接觸角隨加熱時間的變化及不同OCGN超疏水性恢復的時間；

d）OCGN超浸潤性轉化10次。

圖5 OCGN可控的水下油滴黏附性

a）不同OCGN水下疏油性照片；

b）不同OCGN對水下油滴的接觸角與黏附力；

c）不同OCGN水下浸潤機制示意圖；

d）水下微油滴的定向輸運。

【小結】

本文利用制備皮克林乳液和蒸汽溢出的方法制得了一種具有微觀開孔結構的超疏水石墨烯基網絡結構OCGN。所制得的OCGN能夠在空氣等離子體處理下超快地轉化為超親水材料（1 s），并且憑借其本身優異的焦耳熱性能實現了超疏水性的超快恢復（1 min）。這種具有超快可逆的超浸潤性材料在構建智能材料方面具有重要價值。另外，通過控制等離子體處理時間可調控該材料在水下對油滴的黏附力。利用這種具有可控黏附力的水下超疏油材料可以實現微油滴的定向運輸。

文獻連接：Ultrafast, Reversible Transition of Superwettability of Graphene Network and Controllable Underwater Oil Adhesion for Oil Microdroplet Transportation?(Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.2017066861706686.)

本文由王榮國教授團隊供稿，特此感謝！

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